Les principes de la thermique dans l’habitat

Une habitation est un ensemble composé de divers matériaux en contact avec un environnement plus ou moins froid ou chaud en fonction de la saison, de l’heure ou des conditions météorologiques. Les transferts de chaleur et les échanges gazeux se produisent en permanence. Si l’environnement des habitations était constant et tempéré, la température intérieure pourrait être égale à la température extérieure. Comme tel n’est pas le cas, et pour satisfaire le confort des habitants, il convient de réguler les échanges thermiques, en tentant de rétablir des conditions idéales d’habitabilité. Pour ce faire, il est nécessaire de dépenser de l’énergie ou de contrôler les flux, notamment grâce à l’isolation. En plus de l’isolation, d’autres paramètres sont à considérer dans un projet de construction : c’est la thermique de l’habitat, qui permet de mieux comprendre les mécanismes et les règles applicables pour parvenir à un objectif d’efficacité énergétique.

Dans un bâtiment comme dans tout corps solide, la chaleur se propage de trois façons différentes : par conduction, par convection ou par rayonnement (figure ci-après). Cela a des incidences directes sur la façon dont il faut concevoir un bâtiment et avec quels matériaux.


La conduction est la propagation de la chaleur à travers un ou plusieurs éléments en contact direct. Le sens du flux thermique va toujours de l’élément le plus chaud vers l’élément le plus froid. La quantité de chaleur qui se propage dans un corps, dans un temps donné, est proportionnelle à la conductivité thermique du matériau et à la différence de température entre les deux faces. S’il n’y a pas de différence de température, il n’y a pas de flux. En hiver, par exemple, dans un mur, le flux de chaleur va pénétrer dans la paroi à partir de l’intérieur, traverser les différentes couches de matériaux, à différentes vitesses selon leur nature, et se propager à l’extérieur. Moins les matériaux sont conducteurs, plus la progression est lente. C’est l’effet recherché en hiver.

La convection est le transfert de la chaleur d’un corps solide vers un corps gazeux et inversement. La quantité de chaleur transmise dépend de la différence de température entre les éléments, de la vitesse de l’air et de la surface de contact. Par exemple, une paroi exposée à un vent froid et puissant se refroidira très rapidement.

Le rayonnement est le transfert de chaleur à travers un gaz ou le vide par rayonnement infrarouge.

Dans un bâtiment, les modes de transmission se combinent. La transmission de la chaleur de l’air ambiant à une paroi s’effectue en partie par rayonnement et en partie par convection. À l’intérieur de la paroi, la chaleur progresse par conduction.

Chaque matériau possède une conductivité thermique propre. Pour classer les matériaux selon ce critère, on utilise le coefficient lambda (λ). Il s’exprime en watts par mètre kelvin (W/m.K ou parfois en W/m.°C) et représente la quantité de chaleur traversant un mètre carré de matériau d’une épaisseur d’un mètre, soit un mètre cube, avec une différence de température d’un degré entre les deux faces, dans un temps donné. C’est une caractéristique constante et propre à chaque matériau. En notant le score obtenu par un mètre cube de chacun des matériaux du bâtiment, on est sûr d’avoir une base de comparaison équitable permettant un classement objectif. C’est le rôle du coefficient lambda.
Plus la valeur de ce coefficient est faible, plus le matériau est isolant. Un matériau est considéré comme isolant si son coefficient lambda est inférieur à 0,06 W/m.K.

La résistance thermique d’un matériau est sa capacité à freiner le flux de chaleur qui le traverse. Pour les matériaux homogènes, la résistance thermique est égale au rapport de l’épaisseur du matériau en mètres (e) par sa conductivité thermique λ (R = e/λ). L’intérêt est que la valeur obtenue dépend de l’épaisseur du matériau, alors que le coefficient λ est toujours exprimé pour une épaisseur fixe d’un mètre. La résistance R s’exprime en m2.K/W. Plus la résistance thermique d’un matériau est élevée, plus le flux de chaleur est diminué. La valeur R doit apparaître sur l’étiquette produit du matériau et être certifiée.
Par exemple, le polystyrène expansé possède un λ de 0,032 W/m.K. Un bloc de polystyrène de 16 cm d’épaisseur a donc un pouvoir isolant ou une résistance thermique de :
R = 0,16 m / 0,032 = 5 m2.K/W
La valeur R est utile pour connaître l’épaisseur d’isolant souhaitée ou pour connaître l’épaisseur nécessaire pour obtenir une même isolation avec différents matériaux. Par exemple, pour obtenir une valeur R = 5 avec du granit, dont le coefficient λ est de 3,5 W/m.K, il faudrait :
e = λ × R
e = 3,5 × 5 = 17,5

La valeur e étant exprimée en mètres, il faut par conséquent 17,5 m de granit pour obtenir une isolation équivalente à 16 cm de polystyrène !

D’après l’Isolation © DFTG

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