Rénovation énergétique ou construction neuve : comment choisir mes matériaux ?

SOMMAIRE :
I/ Avant-propos
II/ Les grands enjeux énergétiques de l’habitat
III/ Les notions physiques de thermique de l’habitat
IV/ La course au λ
V/ Diffusivité, effusivité et déphasage thermique
VI/ Etudes de cas : Nord de la France vs Sud de la France
VII/ Conclusion

Exposition solaire des façades

I/ Avant-propos

5 octobre 2020, après le renforcement des CEE le gouvernement étend le dispositif d’aide à la rénovation énergétique « MaPrimeRenov’ » à tous les déciles de la population française. Les grands groupes français ont mis sur pied une gamme commerciale répondant à la demande. Des spots publicitaires vous vantent aux heures de grandes écoutes sur les chaînes nationales les mérites de « conseillers techniques en rénovation » ou de « conseillers énergétiques ». Le matraquage est lancé, omniprésence des termes redondant de « rénovation énergétique », « économie d’énergie » et même « transition écologique » pour les plus téméraires arpètes de l’écologie 2.0. Vous vous surprenez à vous dire qu’il serait de bon ton d’en savoir un peu plus avant de vous lancer et vous faites bien.

Avant toute démarche rappelez-vous d’une chose : l’objectivité d’un argumentaire commercial est toujours à remettre en question. Le bon vendeur prêche sa paroisse, le bon vendeur met en avant son produit, le bon vendeur fait naitre en vous un besoin et tout ça passe par des « conseils » pas si désintéressés qu’ils n’y paraissent.

Je n’ai aucun parti pris. Les performances des matériaux et équipements se jugent sur des résultats mis en concurrence les uns aux autres. Les résultats s’obtiennent grâce aux équations qui régissent la physique et du nombre de paramètres d’entrées, de variables, dépend l’exactitude de ces-dits résultats. Tout un chacun peut se proclamer thermicien si tant est qu’il prend en compte au moins une variable dans ses équations thermiques. C’est bien souvent ce que les « conseillers en rénovation » vous proposeront lorsqu’ils vous demanderont la surface de votre logement, sa position géographique et quel est son mode de production de chaleur. De ces 3 variables, ils en ressortiront une estimation du bilan de votre consommation énergétique. Vous penserez qu’à plus ou moins 200€ le compte est bon, plutôt crédibles ! Il est temps de pondre une étude thermique flash estimant la réduction de votre facture énergétique pour une installation de PAC aérotherme dernier cri ou l’isolation de vos combles par de la ouate de cellulose projetée. Je cherche encore l’utilité de mettre un système de production de chaleur ultra performant si l’enveloppe du bâtiment est truffée de ponts thermiques. On ne remplit pas un seau d'eau troué. Les « nouveaux barbares » d’Alessandro BARRICO à l’assaut de la thermique de l’habitat français.

L’article à suivre se veut une aide technique pour comprendre les éléments que je juge clés à la réflexion d’un thermicien pour sa prescription de solutions thermiques. Vous y découvrirez que les variables et grandeurs que j’estime importantes ne sont bien souvent relayées qu’au second plan voir relayées tout court par méconnaissance du sujet.

II/ Les grands enjeux énergétiques de l'habitat

Nous sommes en octobre 2020, l’été précédent a été l’un des plus chauds des cent dernières années. L’année 2019 a été la deuxième année la plus chaude dans le monde, les Etats-Unis d’Amérique sont victimes d’incendies dantesques à répétition, les précipitations estivales sont inexistantes, les pluies automnales diluviennes et des trombes marines font leurs apparitions à La Ciotat et sur les côtes varoises. Nous sommes clairement dans les conséquences d’un dérèglement climatique mondial esquissant des écarts de températures de plus en plus importants et des évènements climatiques de plus en plus dramatiques.

Estimation des records de températures en France en 2050

Estimation des records de températures atteignables à l'horizon 2050 en France (lejdd.fr)

Partant de ce constat, ma problématique du jour est la suivante : quelle méthodologie dois-je alors mettre en place pour analyser les besoins en rénovation énergétique de mon habitat compte tenu de l’évolution des températures ?

III/ Les notions physiques de thermique de l'habitat

Commençons par un bref lexique, afin de nous comprendre et de vous donner les outils de jauger le niveau technique de vos conseillers call-center.

Conductivité thermique λ (lambda) en W/m.K

Grandeur caractérisant la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur. Un matériau ayant un λ faible conduira difficilement la chaleur. Un matériau est considéré isolant lorsque
λ < 0.05 W/m.K

Résistance thermique R en m².K/W

Résistance thermique d’une épaisseur e d’un isolant telle que
R = épaisseur/ λ.

Masse volumique ρ (rhô) en kg/m3

Grandeur caractérisant la masse d’un matériau pour un volume de 1m3 (1m x 1m x 1m) du même matériau.

Chaleur spécifique Cp en J/kg.K

Grandeur quantifiant l’énergie (en Joules J) à apporter à 1kg de masse d’un matériau pour augmenter sa température d’1 degré.

Modèle stationnaire ou dynamique

Un modèle physique est dit stationnaire si les variables ne fluctuent pas dans le temps. Bien souvent, on déclare un modèle stationnaire comme hypothèse de départ pour simplifier la résolution d’équations.
A l'inverse il sera dynamique si les paramètres varient dans le temps.

Diagnostique de Performance Energétique DPE

Diagnostique thermique réalisé en méthode 3CL additionnant 3 postes de consommation annuelle d’énergie primaire : la production d’eau chaude sanitaire (ECS), le chauffage et le refroidissement. Le tout est ramené à une surface habitable (à contrario d’une surface thermique) pour obtenir une consommation en énergie primaire exprimée en kWh(ep)/m².an.

Le froid, le chaud, la fraicheur, la chaleur

La meilleure analogie reste cette citation d’Albert Einstein : « L’obscurité n’est qu’absence de lumière ». A ce titre : LE FROID N’EXISTE PAS, il n’y a qu’absence de chaleur. Par extension, le froid ne peut donc pas « entrer » dans votre logement. C’est un abus de langage, on luttera contre les déperditions de chaleur.
La chaleur est quant à elle l’énergie cinétique d’agitation des molécules constituant toute chose. On parle d’excitation moléculaire. Ainsi lorsque l’eau de votre casserole chauffe c’est parce que les molécules constituant l’eau (H2O) sont dans un état d’excitation croissant. Grossièrement : elles vibrent de plus en plus.
La fraicheur est comme le froid : un abus de langage dont on n’en attribue le sens qu’au gré des personnalités et habitudes de chacun.  La fraicheur n’a pas de sens physique.

IV/ La course au λ

Matériaux d'isolation

Bien qu'ultra performante en terme de non conduction à la chaleur, la mousse phénolique (λ entre 0.018 et 0.022 W/m.K) n'est pas le meilleur choix.

Le marché de l’isolation voit s’affronter les fabricants de matériaux isolants. C'est à celui qui pourra fournir l'isolant au λ le plus faible. Argument marketing de premier ordre, on ne saura vous convaincre autrement que par un laconique « C’est le plus bas λ du marché, avec ça vous serez parfaitement isolés ».

Cette affirmation peut être considérée exacte dans un seul cas : si la température ne varie pas dans le temps, autrement dit, si nous sommes dans le cas d'un régime stationnaire. Considérant que la température extérieure en hiver fluctue très faiblement on pourra considérer le régiment comme stationnaire. Alors, en vertu de l'expression de l'équation de la chaleur, le meilleur λ offre le moins de pertes de chaleur.

Heureusement, les températures fluctuent avec le temps et la thermique de l’habitat ne se cantonne donc pas qu’à avoir le meilleur λ. Cette notion de temps est très importante car elle va nous permettre de jouer avec la chaleur, en la stockant pour la délivrer plus ou moins tardivement. Pour cela nous allons introduire trois grandeurs fondamentales : la diffusivité thermique d’un matériau, l’effusivité thermique d’un matériau et le déphasage thermique d’une structure groupant divers composants.

V/ Diffusivité, effusivité, déphasage thermique

Diffusivité thermique "a" d’un matériau

Elle décrit la rapidité de déplacement des calories à travers un matériau. Plus a est important, plus la chaleur traversera rapidement ce matériau.

Diffusivité thermique

Effusivité thermique "b" d’un matériau

Elle décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe des calories sans qu’il n’y ait pour autant élévation de sa température. A titre d’exemple, le carrelage est plus effusif que le parquet, c’est pourquoi vous avez froid aux pieds sur le premier et pas sur le second alors qu’ils sont pourtant à la même température. Le carrelage absorbe les calories de votre corps plus rapidement.

Effusivité thermique

Déphasage thermique D(T=24h) d’une structure

Il traduit le temps nécessaire sur une période T égale à 24h pour qu’une calorie traverse une structure. Plus simplement ce sera le temps nécessaire à une calorie pointant le bout de son nez (en été) à l’extérieur de votre habitat pour arriver à l’intérieur (et inversement en hiver, les calories sont dans l’habitat et veulent en sortir).

Déphasage thermique

L’idée se dessine grâce à ces 3 grandeurs dont le sempiternel λ n’est qu’une propriété intrinsèque parmi d’autres : je cherche à bâtir une maison qui absorbe rapidement des calories gratuites (le soleil peut être ?) et qui les « stocke » assez longtemps pour qu’il n’y ait pas de surchauffe ou de chute brutale de température en son sein.
 

VI/ Nord vs Sud de la France

Deux études de cas, dichotomiques, illustrant le clivage climatique Nord vs Sud ce qui vous permettra de mettre en application ces grandeurs et d’en comprendre le sens et les mécaniques.

Le Sud (climat méditerranéen)

Garlaban

"Ce n'est donc pas une montagne, mais ce n'est plus une colline, c'est le Garlaban." - M.PAGNOL

Mon bureau d’études thermiques est implanté à Aubagne au cœur de cette Provence dont les hivers doux et venteux n’affichent pas d’amplitudes thermiques importantes. L’air ambiant oscille entre +5°C et +15°C sur les six mois les plus froids de l’année. L’ensoleillement est le plus important de France mais le rayonnement qui en résulte ne fourni que peu de chaleur.
A l’inverse, l’été, les températures fluctuent énormément et brutalement. La nuit tombée, l’air ambiant impose des températures de l’ordre de 22°C à 26°C tandis qu’en pleine journée les températures de surface des tuiles de toiture avoisinent les 60°C et les façades exposées Sud sont martelées par le soleil dont l’inclinaison permet une transmission maximale de ses calories.
Ma problématique est donc la suivante : comment isoler suffisamment mon logement en hiver pour éviter la perte de chaleur mais aussi lutter contre les fortes chaleurs d’été ?

Hiver

En hiver, qu’importe le matériau d’isolation utilisé, l’objectif est d’avoir une enveloppe la plus hermétique possible de manière à perdre le moins de calories possible de l’intérieur vers l’extérieur. Je dis « qu’importe le matériau » car il n’y a ici pas de notions de temps, la température est considérée comme variant peu ou pas.  On s’apparente à un système thermique stationnaire (cf. les notions physiques de thermique de l’habitat).

Eté

En été l’objectif est tout autre, on veut garder une température oscillant entre 19°C et 26°C et donc empêcher la chaleur extérieure d’entrer dans le logement. Il est alors primordial d’user de matériaux dont la diffusivité thermique est faible. La vitesse de propagation de la chaleur sera donc faible. Afin d’en déterminer la quantité, un calcul de déphasage thermique s’opère. J’estime qu’un déphasage thermique de 8h est un minimum. Cela veut dire que les calories entamant une traversée des murs de votre logement à 10h du matin, arriveront à l’intérieur à 18h. L’idée est que les calories de la journée soient restituées la nuit…et non en pleine journée, ce qui provoquerait une élévation de la température intérieure et un sentiment d’inconfort. Si ces calories sont restituées la nuit, en plus d’une ventilation d’air frais par ouverture des fenêtres par exemple, la température pourra rester relativement homogène sur les 24h d’une journée.
Attention, il n’y a aucun moyen de parer à un épisode caniculaire puisque l’air insufflé par ventilation reste chaud (au-delà de 28°C). On retombe dans un système thermique stationnaire comme lors de l’hiver à ceci prêt que la température est importante.

Le Nord (climat océanique, continental & montagnard)

Même constat ?

En Savoie, le problème serait peu ou prou similaire. Hivers et étés présentent une amplitude thermique très importante à ceci près que la priorité est mise sur la lutte contre les déperditions énergétiques. Pourquoi ? Essayez de vous endormir dans une chambre a 12°C…bien plus compliqué que dans une chambre à 28°C. Qui plus est, les déperditions thermiques se traduisent par une hausse de la facture de chauffage, à contrario des épisodes de chaleur auxquels un ventilateur de 30W peut soulager la peine. Je cherche donc encore dans ce cas une isolation usant de matériaux à faible diffusivité thermique pour ralentir la transmission de chaleur par les parois en été associés à des brise-soleil pour stopper les apports caloriques émanant du soleil en été tout en veillant à avoir une structure à forte effusivité thermique pour absorber un maximum de calories en journées d’hiver émanant de ce même rayonnement.

VII/ Conclusion

Finalement, quel que soit l’emplacement de l’habitat étudié, se référer uniquement à la conductivité thermique λ d’un matériau ou à sa résistance thermique R c’est limiter son raisonnement à connaitre la capacité d’un matériau à conduire la chaleur. Or il va aussi absorber, diffuser et effuser. En somme, le logement énergétiquement efficace doit comporter :

-une isolation EXTERIEURE dont le matériau a une diffusivité thermique faible.
-une structure intérieure (murs lourds, planchers bas et intermédiaires, toiture) la plus effusive possible.
-des moyens d’occultation solaire pour lutter contre le trop-plein de chaleur qui serait absorbé par la structure en été.

L’isolation thermique par l’intérieur (ITI), en plus d’exposer l’habitat à de nombreux ponts thermiques, est une aberration thermique puisque l’habitat ne peut bénéficier de l’effusivité thermique des structures. En effet, les matériaux isolants ont une effusivité trop faible en comparaison au béton ou à la brique qui composent les structures intérieures (cf. ANNEXES). Dans le cas de l’ITI, l’habitat ne bénéficie pas des apports solaires de manière répartie sur la journée et la nuit.

Isolation thermique par l'extérieur

L'ITE permet une optimisation thermique du logement en bénéficiant de la faible difusivité thermique des matériaux isolants ainsi que de la forte effusivité thermique de la structure pour absorber le rayonnement solaire en hiver.
Inconvénient : il n'est parfois pas possible d'isoler son logement par l'extérieur, notamment dans le cas d'une rénovation énergétique.

Isolation thermique par l'intérieur

L'ITI ne permet pas au logement de bénéficier de l'effusivité thermique de la structure en hiver. De nombreux ponts thermiques feront leurs apparitions notamment au niveau des liaisons planchers/murs malgré les rupteurs de pont thermique.
Avantage : facilité de mise en oeuvre, faible coût.

Fabien MODAT.

ANNEXES

Ci-dessous quelques grandeurs de certains matériaux vous permettant d'opérer au meilleur choix. Les unités n'y sont pas mentionnées mais vous les retrouvez plus haut dans l'article.

Comparatifs matériaux

Le résol phénolique, pourtant l'isolant le plus performant en terme de λ a une diffusivité plus importante que la laine de bois. Malheureusement, la mousse phénolique peut couter jusqu'à 5 fois plus cher que la laine de bois.
Le polystyrène, malgré un λ performant, diffuse plus rapidement la chaleur que le parpaing !
Le parpaing, grace à sa masse volumique très importante est 20 fois plus effusif que les matériaux isolants. Ce serait une hérésie de ne pas bénéficier de ses propriétés thermiques !

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