Habitat durable

L'isolation : l'inertie thermique

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L'utilisation de l'inertie thermique dans le bâtiment est une notion simple à définir (accumulation de chaleur dans un matériau et à sa capacité de la restituer avec un déphasage), mais d'une approche plus complexe, car relevant des techniques architecturales bioclimatiques.

  1. Pourquoi la chaleur va-t-elle vers le froid ?
  2. Isole-t-on de la même manière chaleur et froid ?
  3. Quelle est l'influence du rayonnement solaire ?
  4. Courbe d'inertie thermique
  5. L'accumulation de chaleur le jour et restitution 
  6. L'albédo l'énergie solaire réfléchie

Pourquoi la chaleur va-t-elle vers le froid ? 

On pourrait penser qu'il s'agit de l'inverse : c'est-à-dire que le froid va vers la chaleur.

Il s'agit d'une loi physique observable. L'isolation et l'inertie thermiquesont soumis à des phénomènes physiques immuables. La chaleur d'un corps est l'agitation plus ou moins élevée des particules qui le composent, un corps qui vous paraît solide est en réalité constitué de particules à l'arrêt. Plus ses particules absorbent de l'énergie, plus elles se déplacent à des vitesses plus élevées, créent des chocs qui libèrent de la chaleur.

Lorsque l'on est en présence de 2 corps, l'un froid, le mur extérieur, l'autre chaud, l'isolant intérieur. Le corps froid a une agitation faible donc ses molécules bougent peu. 
À l'inverse, le corps chaud possède des particules en déplacement rapide qui s'entrechoquant. Les particules du corps chaud qui s'agitent percutent les particules peu actives du corps froid. En transmettant leur énergie, les particules du corps chaud perdent de la vitesse et celles du corps froid les récupèrent jusqu'à ce que les 2 corps atteignent la même température : il s'agit de l'état d'équilibre.

Sur le principe, l'inertie thermique dans le bâtiment est une notion qui englobe à la fois à l'accumulation de chaleur dans un matériau de la structure, les murs par exemple, et à leur capacité de la restituer avec un déphasage (c'est-à-dire un décalage dans le temps). Ce dernier dépend des caractéristiques physiques et dimensionnelles du matériau, ce qui signifie que plus il y a de masse dense, plus l'inertie sera grande.

Isole-t-on de la même manière chaleur et froid ?

Beaucoup de personnes se demandent si l'on s'isole de la même manière de la chaleur et du froid.

Dans les deux cas, il s'agit d'économiser sur les dépenses énergétiques pour limiter les besoins de chauffage et de climatisation. Mais si la problématique semble proche, il faut savoir qu'une isolation d'hiver efficace ne garantit pas forcément un bon confort en été.

  • L'équivalent de 20 cm de laine de verre pour le confort d'hiver est égal à 0.81 mètre de laine de verre pour empêcher le rayonnement solaire estival (voir tableau sur le déphasage).
  • Avec ces valeurs, il est facile de comprendre pourquoi il fait très chaud aux étages des constructions « très bien isolées aux normes actuelles ».
  • Précisons que 20 cm est une épaisseur très insuffisante si l'on veut une isolation correcte en toiture qui théoriquement devrait assurer un confort d'hiver en empêchant les calories de quitter le bâtiment.

 

Quelle est l'influence du rayonnement solaire ? 

L'isolation doit être conçue en tenant compte à la fois du confort d'hiver et du confort d'été.

  • Pour réduire encore les besoins de chauffage en hiver, on peut, par exemple, favoriser l'apport solaire à travers les parois vitrées.
  • Au contraire en été, il faut limiter le rayonnement direct sur les parois vitrées qui doivent être protégées du soleil estival.
  • Si l'on veut éviter l'usage de cet énorme polluant que représente la climatisation en été, il faut utiliser la ventilation, l'inertie thermique et des systèmes de protection solaires.
  • Les solutions ne sont évidemment pas les mêmes dans une région méridionale que sous une latitude plus froide.

 

Un climat plus chaud exige une gestion efficace des circulations d'air, assurée par la ventilation, ainsi que des dispositifs de protection contre le rayonnement solaire direct, principal responsable de la chaleur en été.

  • Cette protection peut être apportée par divers types de pare-soleil, casquettes et avancées de toit architecturales, mais également par des parois qui réfléchissent le rayonnement du soleil et des vitrages filtrants.
  • Le fait de fermer les volets aux heures les plus chaudes évite le rayonnement facteur de surchauffe et d'inconfort.

 

Courbe d'inertie thermique 

Le schéma ci-dessous démontre que dans les bâtiments parfaitement isolés, la sinusoïde est relativement plate, les grandes amplitudes sont le signe d'inconfort et de dépenses d'énergie. Schéma Picbleu ®

Schéma-sinusoide-courbe-inertie-thermique.png

Légende-inertie-thermique.png

L'accumulation de chaleur le jour et restitution 

En matière d'architecturale bioclimatique, le but recherché est d'accumuler de manière passive la chaleur le jour et de la restituer la nuit. Ce principe inertiel est particulièrement pertinent dans les climats où il existe des différences significatives de températures diurnes et nocturnes.


Le mur Trombe (du nom de celui qui a contribué à le développer) est une technique connue depuis longtemps. Le principe très simple consiste à placer devant des vitrages orientés au sud un mur (par exemple en pierre, en céramique ou en argile cuite), qui va stocker durant le jour des calories et les restituer dans la maison durant la nuit.

L'albédo l'énergie solaire réfléchie 

* L'albédo, grandeur sans dimension ou grandeur adimensionnelle* est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente (lumière réfléchie par un objet).

  • Cette fraction de l'énergie de rayonnement incidente, réfléchie ou diffusée par un corps, une surface ou d'un milieu est une notion comparable à la réflectivité, mais dont l'application plus spécifique est utilisée en astronomie, en planétologie et en géologie.
  • Les valeurs de l'albédo sont comprises entre 0 et 1 (0 correspondant au noir, pour un corps sans aucune réflexion, et 1 au renvoi parfait de l’énergie lumineuse).
  • Plus une surface est réfléchissante, plus son albédo est élevé.
  • Les éléments qui contribuent le plus à l'albédo de la Terre sont : les nuages, les surfaces de neige et de glace et les aérosols.
  • Par exemple, l'albédo de la neige fraîche est de 0.75 à 0.90, ce qui signifie que 75% à 90 % de l'énergie solaire est réfléchi par ce type de neige.
  • Un corps noir parfait, qui absorberait toutes les ondes électromagnétiques sans les réfléchir aurait un albédo nul égal à zéro, tandis qu'un miroir parfait, qui réfléchirait toutes les ondes électromagnétiques sans en absorber une seule, aurait un albédo égal à 1.

 

Exemples valeurs albédo :

  • miroir : = 1
  • sable : = entre 0,25 et 0,30
  • glace : = environ 0.60
  • neige : = 0.90
  • gris de référence (charte photographique grey scale) : = 0.18
  • velours noir : = 0.4

 

L'albédo est estimé aujourd'hui par satellite au sommet de l'atmosphère (L'albédo moyen terrestre est de 0,33 pour le système global toutes surfaces confondues en tenant compte des deux hémisphères). Étymologie : albédo provient du latin « albédo » qui signifie « blancheur » ce terme a été introduit au XVIIIe siècle en optique et en astronomie par le mathématicien-astronome suisse Johann Heinrich Lambert

* Une grandeur sans dimensions ou grandeur adimensionnelle est une quantité permettant de décrire une caractéristique physique sans dimension ni unité explicite d'expression. Cette grandeur est constituée du produit ou rapport de grandeurs à dimensions, de manière à ce que le rapport des unités soit équivalent à un. L'analyse adimensionnelle permet de définir ces grandeurs sans dimension.

Bibliographie :

(Exemples valeurs « Albédo » Jean-Louis Meyzonnette et Thierry Lépine, Bases de radiométrie optique, Cépaduès-Editions (2001)

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