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• 1 Introduction
• 2 Fonctionnement de l’isolation
  • 2.1 Rayonnement
  • 2.2 Conduction
  • 2.3 Convection
• 3 Performances
  • 3.1 Conductivité thermique
  • 3.2 Résistance thermique
  • 3.3 Valeur U
• 4 Produits à cellules ouvertes
• 5 Produits à cellules fermées
• 6 Installation vs performance
• 7 Durabilité
• 8 Conclusion
• 9 Articles connexes sur la conception de bâtiments Wiki
• 10 Références externes

Introduction

Les produits d’isolation se sont considérablement développés avec les progrès technologiques. La législation a joué un rôle de catalyseur pour le développement, depuis les exigences de base de la Partie L des Règlements de construction jusqu’à la conformité aux objectifs de réduction des émissions de carbone du gouvernement, grâce à des programmes avancés tels que le Code pour les maisons durables et BREEAM.

Les produits d’isolation varient en termes de couleur, de finition et de texture de surface, de composition du noyau et, surtout, de performance. La spécification des matériaux isolants est une décision scientifique, mais une spécification réussie repose sur la compréhension par le spécificateur non seulement de la performance mathématique, mais des facteurs périphériques pouvant influencer l’installation finale.

La spécification des produits d’isolation est souvent basée sur l’exigence minimale de la Réglementation du bâtiment AD (Document approuvé) Partie L et leur relation avec les données de performance des fabricants, et il a été suggéré que la législation favorise la production d’une gamme de produits qui « fonctionnent simplement », présentant peu de différences apparentes entre eux.

Cependant, pour spécifier correctement l’isolation, le spécificateur doit comprendre les raisons pour lesquelles cela fonctionne et appliquer la technologie correcte à un détail de construction donné. En comprenant mieux les processus qui font fonctionner l’isolation, et même les facteurs qui l’empêchent de fonctionner, les prescripteurs seront bien mieux placés pour spécifier le matériau approprié pour l’application correcte.

La performance installée d’un produit isolant dépend non seulement des caractéristiques de performance et du respect par les entrepreneurs des exigences générales de fabrication et des meilleures pratiques, mais également de l’adéquation de l’isolant spécifié à son emplacement d’installation.

Fonctionnement de l’isolation

Les produits d’isolation sont conçus pour empêcher le transfert de chaleur à travers le matériau lui-même. Il existe trois méthodes de transfert de chaleur: le rayonnement, la conduction et la convection.

Rayonnement

Tout objet dont la température est supérieure aux surfaces qui l’entourent perdra de l’énergie sous forme d’échange radiant net. La chaleur rayonnante ne peut voyager qu’en ligne droite. Introduisez un objet solide entre les points A et B, et ils n’échangeront plus directement de la chaleur rayonnante. Le rayonnement est le seul mécanisme de transfert de chaleur qui traverse les aspirateurs.

Conduction

La conduction dépend du contact physique. S’il n’y a pas de contact, la conduction ne peut pas avoir lieu. Le contact entre deux substances de température différente entraîne un échange de chaleur entre la substance à température plus élevée et la substance à température plus basse. Plus le différentiel de température est grand, plus l’échange de chaleur est rapide.

Convection

La convection est le transfert d’énergie via des fluides (gaz et liquides). C’est cette méthode qui joue le plus grand rôle dans la libération et le transfert de chaleur dans les bâtiments. La propagation la plus courante de cet effet est du solide au gaz, c’est-à-dire de l’objet à l’air, puis de nouveau, généralement lorsque l’air rencontre le tissu de construction externe.

Le processus est en fait initié par un transfert d’énergie dû à la conduction, et est compliqué par le niveau de vapeur d’eau supporté par l’air. Les molécules d’eau stockent la chaleur qui leur est donnée par conduction à partir de surfaces chaudes. La vapeur d’eau et l’air ne peuvent pas être séparés sous forme de gaz. Ils ne se séparent que lorsque la pression de vapeur saturée est atteinte, c’est-à-dire que la quantité d’eau (quoique sous forme de vapeur) dépasse le niveau de chaleur disponible pour la maintenir sous forme de gaz (vapeur), et donc elle se condense.

La condensation provoque la libération de cette chaleur latente; le rapport température/ vapeur d’eau change, et une fois qu’il a suffisamment changé, le processus recommence. Les systèmes météorologiques du monde suivent un cycle très similaire.

Si l’air pouvait être maintenu immobile et sec, il deviendrait un isolant très efficace. Cependant, si l’air est chauffé, sa structure moléculaire se dilate et devient moins dense par rapport à l’air qui l’entoure, et s’élève ainsi. À mesure qu’il s’éloigne de la source de chaleur, il commence à refroidir. Les molécules se contractent et augmentent en densité et redescendent. Les molécules d’air sont dans un état de flux constant, dépendant de la température ambiante et des interférences provenant de n’importe quel point ou de sources de chaleur de fond.

Ce processus de « convection » de transfert de chaleur est compliqué par le fait que l’air se refroidit à un rythme dépendant de la quantité de saturation en vapeur d’eau. Plus la saturation est grande, plus le refroidissement est lent.

Performance

Les matériaux isolants limitent le flux d’énergie (chaleur) entre deux corps qui ne sont pas à la même température. Une meilleure performance d’isolation est directement attribuable à la conductivité thermique de l’isolant. C’est-à-dire la vitesse à laquelle une quantité fixe d’énergie se transfère sur une épaisseur connue du matériau.

L’inverse direct (réciproque) de cette mesure est la résistance thermique du matériau, qui mesure la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur.

Conductivité thermique

La conductivité thermique, souvent appelée valeur « K » ou « λ » (lambda), est une constante pour un matériau donné et est mesurée en W / mK (watts par mètre kelvin). Plus la valeur λ est élevée, meilleure est la conductivité thermique. Les bons isolateurs auront une valeur aussi basse que possible. L’acier et le béton ont une conductivité thermique très élevée et donc une très faible résistance thermique. Cela en fait de pauvres isolants.

La valeur λ pour tout matériau deviendra plus élevée avec une augmentation de la température. Bien que l’augmentation de la température doive être significative pour que cela se produise, et les variantes de température dans la plupart des bâtiments sont généralement dans les tolérances qui rendraient tout changement de la valeur lambda négligeable.

Résistance thermique

La résistance thermique, appelée valeur « R » d’un matériau, est un produit de conductivité thermique et d’épaisseur. La valeur R est calculée à partir de l’épaisseur du matériau divisée par sa conductivité thermique et exprimée en unités m2K/W (mètre carré kelvins par watt). Plus l’épaisseur du matériau est grande, plus la résistance thermique est grande.

Valeur U

En termes de construction, alors qu’une valeur U peut être calculée et attribuée à une seule épaisseur de n’importe quel matériau, il est plus habituel de la calculer comme un produit résultant de l’assemblage de différents matériaux dans n’importe quelle forme de construction donnée. Il s’agit d’une mesure de la transmission de la chaleur à travers une zone prédéterminée du tissu du bâtiment – soit 1 mètre carré. m.

Les mesures unitaires sont donc W/m2K (watts par mètre carré kelvin) et décrivent le transfert de chaleur, en watts, à travers un mètre carré d’un élément de construction (tel qu’un mur, un plancher ou un toit). Ceci est utilisé pour calculer le transfert de chaleur, ou la perte, à travers le tissu de construction. Par exemple, si un mur avait une valeur U de 1 W / m2K — avec un différentiel de température de 10°, il y aurait une perte de chaleur de 10 watts pour chaque mètre carré de surface de mur.

Produits à cellules ouvertes

L’isolation à cellules ouvertes comprend des produits tels que l’isolation minérale et l’isolation en laine de mouton. Les isolants en polystyrène expansé (EPS) sont techniquement des « cellules fermées » dans leur structure, mais leurs performances s’apparentent à un matériau à cellules ouvertes en raison de la liaison à travers la structure des poches d’air qui entourent les billes de cellules soufflées qui sont l’essence de sa composition.

Le graphique ci-dessous montre une image centrale en coupe d’un produit typique en laine de verre recouvert d’une représentation des millions et des millions (par mètre carré) de poches d’air « à cellules ouvertes » créées pendant la fabrication. En même temps que le processus de fabrication force de l’air dans l’âme des fibres de verre, un liant préalablement introduit est activé pour former une matrice verrouillant la composition ensemble. Cela produit le « chargement par ressort » associé à l’isolation en laine minérale, lui permettant de retrouver sa forme et son épaisseur après compression.

La nature à cellules ouvertes de la matrice permettra la migration de l’air à travers son noyau, mais la route est tortueuse et la perte de chaleur due à la convection est donc minime. Le principe de fonctionnement est la formation de poches d’air si petites que le mouvement de l’air s’arrête virtuellement, mais pas complètement.

Un matériau ne pourra émettre que de la chaleur qu’il est capable d’absorber. Les brins de verre et leur liant sont de mauvais conducteurs de chaleur, de sorte que la perte de chaleur par rayonnement est considérée comme négligeable.

L’air sec est un bon gaz isolant. Ainsi, avec les produits à cellules ouvertes, si la contamination de l’air central par la vapeur d’eau peut être évitée (en utilisant des barrières de contrôle de la vapeur), les poches d’air ultra petites limiteront considérablement le mouvement de l’air.

Produits à cellules fermées

Les isolants à cellules fermées comprennent des produits tels que le polystyrène extrudé et les panneaux de mousse chimiques. La technologie à cellules fermées utilise l’introduction contrôlée de gaz (agents gonflants) pendant la fabrication qui forment une matrice de cellules individuelles beaucoup plus dense que la laine de verre ou l’EPS. Les cellules se forment sous forme de bulles du gaz dont la conductivité thermique est nettement inférieure à celle de l’air. Combinez cela avec l’incapacité de la vapeur d’eau à contaminer facilement les cellules, ce qui permet d’obtenir un isolant nettement plus performant. (NB: La matrice de certains isolants de mousse chimique peut être susceptible de se décomposer avec le temps par la présence d’eau ou de vapeur d’eau.)

Les parois cellulaires sont extrêmement minces ce qui limite la conduction, mais sont étanches aux gaz. La composition cellulaire dense limite en outre le potentiel de mouvement du gaz, car il ne peut se déplacer qu’à l’intérieur des limites de sa cellule contenant, et non entre les cellules. Ainsi, comme pour les matériaux à cellules ouvertes, le processus de transfert de chaleur des côtés chauds vers les côtés froids est affecté par une combinaison de conduction via les parois cellulaires et de convection limitée via le gaz cellulaire.

L’efficacité du matériau est très élevée et efficace sur la surface d’une planche ininterrompue, mais est considérablement réduite par une mauvaise finition lors du découpage et de l’assemblage des planches.

Dans le but d’améliorer les performances à long terme, les fabricants font face à des produits en panneaux de mousse en particulier, avec une couche de feuille brillante. Cela permet de minimiser la contamination par la vapeur d’eau en agissant comme un pare-vapeur, tout en renvoyant l’énergie rayonnante dans le bâtiment. Le collage d’une planche en feuille à l’aide d’un ruban en feuille peut améliorer le contrôle de la vapeur, bien qu’il ait peu d’impact sur un joint mal construit qui n’est pas toujours étanche.

Installation vs performance

Les fabricants d’isolants produisent de la documentation technique et promotionnelle intégrant une vaste gamme de chiffres pouvant prêter à confusion, et tous les fabricants ne présentent pas leurs performances de la même manière.

Les mesures de performance sont généralement basées sur les résultats des tests de laboratoire. Ces résultats sont acceptés dans tous les domaines, par les concepteurs de bâtiments et les organes législatifs tels que les autorités de contrôle des bâtiments.

Cependant, ce n’est pas la même chose qu’un test sur site. Aucune situation « sur site » ne fournira exactement les mêmes conditions, de sorte que les tests ne peuvent être effectués que pour fournir une comparaison entre différents produits d’isolation, en utilisant exactement les mêmes conditions. En conséquence, les fabricants illustrent les performances dans la littérature commerciale et technique en décrivant l’installation parfaite, où les joints sont parfaitement réalisés, l’isolation est uniformément continue et toutes les tolérances sont parfaites au millimètre près. Quiconque a été sur un chantier saura que cela ne reflète pas la réalité.

À cette fin, les prescripteurs peuvent prendre note de la mise en œuvre des évaluations du Green Deal. Le diktat ici est d’adhérer à la « règle d’or » selon laquelle le coût des mesures d’économie d’énergie proposées ne doit pas dépasser les économies projetées réalisées par l’utilisation de moins d’énergie qui en résulte. Dans la pratique, afin de s’en assurer, les évaluateurs du Green Deal (GDAs) adoptent une ligne très prudente sur les économies projetées et les économies projetées impliquant des calculs d’utilisation de l’isolation à 75% des données de performance du fabricant.

En outre, bien que les fabricants se concentrent sur la performance du produit, ils peuvent ignorer d’autres questions clés qui affectent directement la performance, telles que la spécification du produit d’isolation correct dans les zones de construction susceptibles de générer un environnement froid et potentiellement humide, par exemple, les vides sous le sol.

L’isolation et l’eau ne se mélangent pas. Tous les types de produits d’isolation seront affectés dans une plage allant de négligeable (comme le polystyrène extrudé (XPS)) à gravement compromis (comme les isolants en laine). Le degré de compromis sera lié au degré de contamination. Ainsi, tout environnement où la vapeur d’eau peut exister sans menace d’évaporation rapide et totale, ou la présence de gouttelettes d’eau physiques elles-mêmes, réduira les performances d’isolation. Une fois dans la matrice de l’isolant, l’eau conduira l’énergie que l’isolant tente de contenir. Plus la gouttelette d’eau est grande, plus la conduction est grande.

Par exemple, lorsque de la laine de verre est installée dans une paroi de cavité à remplissage complet, si l’un des côtés de la cavité en maçonnerie a été exposé à la pluie immédiatement avant l’installation de l’isolant, il y aura une réduction des performances d’isolation potentielles de la paroi de cavité terminée. Si l’isolation a été laissée mouillée, les performances pourraient bien devenir négatives.

Durabilité

Les prescripteurs d’environnement bâti d’aujourd’hui subissent une pression croissante; pour être plus vert, pour concevoir un environnement moins carboné et pour aller vers une plus grande durabilité. Les plus grands fabricants d’isolants ont mis en place des mesures importantes pour ::

• Réduire la dépendance à l’égard des matières premières.
• Recycler avant et après fabrication.
• Réduisez les emballages et assurez-vous qu’ils restent recyclables.
• Réduire la consommation d’énergie dans la production et le transport.
• Avoir des politiques zéro déchet à l’enfouissement.

Les fabricants commercialisent leurs produits comme « durables » en partant du principe que leurs produits d’isolation économiseront beaucoup plus d’énergie / de carbone, au cours de la durée de vie de l’installation que ce qu’il en a coûté à fabriquer.

Conclusion

Les matériaux isolants dépendent de leur composition moléculaire inhérente, afin de minimiser les trois formes de transfert de chaleur – rayonnement, conduction et convection. Les plus grandes pertes de chaleur du bâtiment proviennent du mouvement de l’air. Tout corps d’air en mouvement extraira la chaleur d’un objet ou d’une surface sur laquelle il passe. La perte de chaleur est proportionnelle à la vitesse de l’air en mouvement, à la quantité d’eau présente et au différentiel de température entre la source de chaleur et l’air.

Plus le mouvement de l’air sur une source de chaleur est rapide, plus le transfert de chaleur se produit rapidement. La présence de gouttelettes d’eau accélérera ce processus, bien qu’il faille généralement contrôler la saturation en vapeur d’eau pour éviter les problèmes causés par la condensation.

La condensation peut être contrôlée dans une large mesure en s’assurant que la vapeur d’eau dans l’air est contenue dans l’environnement interne chaud. Des couches de contrôle de la vapeur sur le côté chaud de l’isolant, scellant efficacement l’enveloppe à la migration de l’air entre les zones chaudes et les zones plus froides sont la solution théorique.

La technologie actuelle des matériaux et l’exécution soigneusement surveillée de l’assemblage de ces matériaux permettent d’obtenir des fuites d’air quasi nulles à travers l’enveloppe isolée, et la conception de Passivhaus en dépend, tout en utilisant une ventilation contrôlée pour éliminer l’air contaminé, principes de conception qui dépendent de la fabrication pour réussir.

En ce qui concerne la construction cellulaire de matériaux isolants dédiés, l’objectif intrinsèque est d’empêcher le mouvement des gaz à l’intérieur de la matrice centrale d’isolation, ce faisant, la perte de chaleur consécutive à ce mouvement sera également réduite.

Bien que les produits d’isolation à cellules ouvertes, tels que la laine, permettent une migration beaucoup plus importante de l’air à travers eux, ce qui limite leurs performances, leur construction flexible offre un avantage beaucoup plus important en termes de contrôle de la qualité de l’exécution de l’installation. En raison de la nature du matériau, l’assemblage produit un résultat très similaire au matériau lui-même. Alors que les produits à panneaux rigides entraînent une pénalité de prime d’installation onéreuse pour atteindre les normes de précision d’assemblage des « tests en laboratoire » du fabricant.

Les matériaux isolants avec une composition cellulaire plus dense et autonome fourniront une conductivité thermique plus faible (valeur λ) et donc une résistivité thermique plus élevée (valeur R) pour surpasser les matériaux à cellules ouvertes, qui reposent sur le maintien de l’air sec dans leurs noyaux pour des performances ultimes.

Il existe des produits en mousse à cellules ouvertes qui, en raison de leur composition matricielle centrale, ont une conductivité thermique plus élevée que leurs cousins à cellules fermées, mais présentent des avantages avec une plus grande flexibilité pour s’adapter au mouvement du bâtiment, et toute détérioration des parois cellulaires n’entraînera pas la libération de la teneur en gaz.

Lors de la spécification des produits d’isolation, le concepteur du bâtiment doit tenir compte du potentiel de contamination de l’eau, de la possibilité de migration de gaz dans la matrice centrale et du compromis de performance qui en résulte, qui pourrait se détériorer davantage au cours de la durée de vie du bâtiment, invisible et non contrôlé.

Il existe des technologies plus performantes sur le marché avec des « aérogels » et des « panneaux évacués », mais les performances dépendent des mêmes principes de transfert de chaleur et ont pour le moment un créneau de spécification limité, restant largement prohibitif pour la grande majorité des applications.

Cet article a été écrit à l’origine par Mark Wilson MCIAT, les droits d’auteur ayant été transférés à Henry Stewart Publications aux fins de publication. Il a remporté notre concours d’articles soutenus par le Chartered Institute of Building en juin 2013.

Une version plus longue de l’article a été publiée pour la première fois dans Journal of Building Survey, Appraisal &Valuation, Volume 2 Numéro 1, avril 2013, publié par Henry Stewart Publications, Londres.

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• Document approuvé D.
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• Isolation BREEAM.
• Règlements de construction.
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• Conventions pour les calculs de valeurs U (édition 2006) BR 443.
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