C'est quoi l'inertie?
(12 avril 2017 : depuis novembre 2006, il y avait bien besoin de refaire la mise en page! Au passage, mise à jour avec des épaisseurs plus en phase avec les pratiques actuelles, des valeurs plus récentes pour les matériaux, et 2-3 bricoles)
J'entends parler d'inertie thermique. C'est quoi donc?
Pour comprendre ce qu'est ou n'est pas l'inertie, il faut d'abord comprendre quelques notions de bases.
Les fainéants et les over-pressés peuvent se contenter de lire les commentaires en bleu.
Porte-fenêtre au standard passif en 3 minutes!
Un matériau limite les transferts de chaleur, grâce à sa résistance thermique Rth.
Rth = épaisseur / λ
- λ (lambda) étant la conductivité thermique du matériau.
Les isolants usuels conduisent très mal la chaleur : λ = ~0,04 W/m/°C
Exemple : ouate de cellulose, fibre de bois, liège, perlite, vermiculite, laines minérales, ...
Les parois maçonnées conduisent très bien la chaleur : λ = 2,3 W/m/°C pour le béton armé.
Une isolation rapportée de 16cm de fibre de bois semi-rigide présente une résistance thermique Rth = 0,16/0,04 = 4 m².°C/W
Un mur porteur de 20cm de béton armé aura une résistance thermique de Rth = 0,2/2,3 = 0,087 m².°C/W
Ca veut dire que, quand 5W de chaleur passe au travers de 1m² d'isolant, le mur porteur dans les mêmes conditions laissera passer 5*4/0,114 = 230 W !
Pour comparaison :
- 5W, c'est la conso en veille d'une télé un peu gourmande (maintenant, c'est plutôt 1 à 2W)
- 230W, c'est plus du double de la conso d'une grosse ampoule électrique 100W, interdite à la vente depuis 2009, car trop énergivore.
Laisseriez-vous 200 télés et autres appareils électriques inutilement en veille dans votre maison? Non?
Alors aucune raison de laisser allumées nuit et jour une gigantesque guirlande de plus de 500 ampoules électriques de 100W !
ISOLEZ!
Et une épaisseur sérieuse, pas juste 3-4cm façon bricolo-radin.
Sinon, il vaut mieux laisser en attente, pour éviter de "tuer le gisement".
Au fait, pourquoi 200? Pour 200m² de murs d'enceinte, ce qui est un chiffre très réaliste pour une maison individuelle.
Rappel: le métal n'est pas un isolant, bien au contraire!
- acier: λ = 50 W/m.K
- aluminium: λ = 230 W/m.K
Les suspentes et rails métalliques noyés dans l'isolation rapportée, c'est une aberration. Une perte sèche sur les performances de 30%.
Pour l'isolation intérieure, on a le choix entre l'ossature bois et les poutrelles bois en I ou en T. Au pire, exigez au moins des suspentes/écarteurs en plastique. Et vérifier que c'est bien ça qui a été posé!
Idem pour l'isolation intérieure ou extérieure en plaques à enduire, évitez tant que faire se peut les chevilles métalliques.
Pour l'isolation extérieure bardage, les équerres métalliques, c'est pas mieux. Néanmoins, impossible d'ignorer que ça reste la solution la plus simple et plus rapide à mettre en oeuvre. Si l'on n'arrive pas à mettre la main sur des équerres "isolantes", il faudra minimiser le problème en ménageant une rupture de pont thermique, d'une manière ou d'une autre.
Briques, pierre, béton, ... Thermiquement, c'est du lourd!
Un mètre-cube de matériau stocke et restitue de l'énergie thermique via sa capacité thermique volumique S.
S = ρ * Cp
- ρ (rho) est la masse volumique (en gros, la densité) du matériau, en kg/m3
- Cp, de son nom complet, est la capacité thermique massique isobare du matériau. Certains l'appellent encore "chaleur massique" ou "chaleur spécifique". D'autres l'appelle "enthalpie massique" par abus de langage.
C'est la quantité d'énergie (en joules=Watt * seconde) qu'il faut pour augmenter de 1°C la température de 1kg du matériau, en J/kg/K.
Selon les unités du système international, S est en J/m3/K. Ca n'est pas follement causant, aussi on aura plutôt tendance à manipuler S en kWh/m3/°C = 1/1000/3600 * J/m3/K
Beaucoup de "masses thermiques" usuelles sont capables de stocker beaucoup de chaleur, sans qu'on ait besoin d'atteindre des températures indécentes.
Exemple : l'eau, la pierre, le béton...
Bon, tailler le bout de gras pour 1 m3, soit, mais on est plutôt intéressé par la capacité thermique "surfacique", c'est à dire par m² de matériau posé, qu'on va noter Cth :
Cth = S*e
Reprenons nos 2 cas de figure pour illustrer ça.
La fibre de bois semi-rigide a une masse volumique d'environ 40kg/m3. Sa capa thermique Cp est celle du bois : 1950J/kg/K. Du coup, les 16cm dont on a déjà parlé ont une capacité thermique surfacique de Cth = 0,16*40*1950/1000/3600 = 0,0035 kWh/m²/°C
Et pour les 20cm de béton armé? Masse volumique 2,3t/m3, et de capa thermique Cp ~1000J/kg/K → Cth = 0,2*2300*1000/1000/3600 = 0,128 kWh/m²/°C, soit 37x plus que nos 16cm d'isolant!
Les rolls des isolants pour la capacité thermique (fibre de bois haute densité, panneau de roseaux) plafonnent lamentablement à 0,024kWh/m²/°C pour la même résistance thermique que nos 16cm de fibre de bois semi-rigide. La conclusion est sans appel :
TOUS les isolants usuels ont une capacité thermique faiblarde en comparaison de la maçonnerie.
Faisons quelques petits calculs de capacitance :
- 0,0037 * 200m² = 0.7 kWh / °C
- 0,128 * 3m*2.5m = 0.96 kWh / °C
Ça veut dire qu'un simple mur de refend de 3m de long retient mieux la température que la totalité de l'isolation d'une maison individuelle. Or la fibre de bois semi-rigide présente une plus grande capacité thermique volumique que la majorité des isolants classiques en ITI : laines végétales/minérales/animales, ouate en vrac ou insufflée, polystyrène. D'où une 2e conclusion claire :
Pour réguler la température intérieure, misez sur la maçonnerie DANS la maison plutôt que l'isolation intérieure (contrairement à ce que prônent certains vendeurs).
Vive la fraicheur sans clim!!!
Petit exercice pour les petits malins qui prêchent que le placo ou le fermacell apporte une super masse thermique et stocke plein de chaleur : masse volumique ρ=~1100kg/m3, capa thermique Cp=~1300J/K/kg, épaisseur 13mm. Faites le calcul de capa thermique surfacique : c'est aussi faiblard qu'un isolant!
Mais au fait, quels sont les champions de la capacité thermique, à même épaisseur? Le granit, le béton, et...le bois dense!
Le bois, vice-roi du déphasage/amortissement. Mais encore faut-il qu'il soit continu!
En fonction de son pouvoir isolant (λ) et de son pouvoir de stockage (S), la chaleur se diffuse plus ou moins bien dans un matériau. Autrement dit, une vague de chaud ou de froid d'un côté du matériau met +/- de temps à le traverser (déphasage), et sera atténuée au passage (amortissement).
diffusivité ↓ = déphasage ↑ = amortissement ↑
Pour les matheux et les physiciens :
- diffusivité = λ / S = λ / ρ.Cp
En unité du système international, elle est en m²/s. La diffusion de chaleur dans les matériaux qui nous intéressent est lente, elle est plus souvent donnée dans notre contexte en m²/h - célérité = 0,725 * √diffusivité
Cela traduit la vitesse de propagation de l'onde de chaleur quotidienne.
Attention, cette formule prend la diffusivité en m²/h, et donne alors la célérité en m/h. C'est quoi ce 0,725 magique? Cf les commentaires : c'est √4*π/24. La formule en unités du système international, c'est célérité = √4*π/(24*3600) * √diffusivité. Oui, je sais, ça pique un peu les yeux...
Il y a quelques années, la refonte d'overblog a dézingué les liens dans les commentaires. A défaut, vous trouverez ici une démonstration qui aboutit à cette formule. Au passage, cet article pointe que c'est assez discutable d'utiliser cette formule pour palabrer sur le confort d'été des parois. Son vrai domaine d'application, c'est le sol. - déphasage = épaisseur / célérité
Si la célérité est en m/h, on obtient bien évidemment un déphasage en heures. - amortissement = e- 0,262*déphasage
Sans unité. Les puristes peuvent le passer en dB si ça les chante
On parle aussi d'atténuation. D'ailleurs, je préfère ce terme, aussi c'est celui que vous trouverez dans la feuille de calcul bilan_hygrothermique.ods.
Oui, je sais, claquer une exponentielle e() avec une racine racine carrée dedans, ça fait tirer la langue. Je décline toute responsabilité en cas de combustion spontanée du mono-neurone "les ch'tis chez la famille Kardashian".
Vous pouvez toujours vous reposer sur diverses calculettes magiques sur le web -avec le risque que ça soit mal codé ou que ça soit basé sur des valeurs discutables. Ou encore utiliser l'onglet matériau de la feuille de calcul bilan_hygrothermique.ods. Non, je ne suis pas chauvin, c'est juste que la colonne atténuation a pile été mise en place pour rendre ce service -en toute transparence.
Sinon, c'est quoi ce 0,262 mathémagique? C'est la pulsation journalière : 2*π/24.
Attention, la formule ci-dessus prend le déphasage en heure. Pour un déphasage en unité du système international, c'est à dire en seconde, la formule devient amortissement = e- 2*π/(24*3600)*déphasage
En fait, je n'ai pas vraiment expliqué ce qu'est l'amortissement. Imaginez une journée dont les températures mini-maxis sont Tmin et Tmax. De l'autre côté du matériau, on s'attendra à un écart de température de (Tmin-Tmax)*amortissement. C'est bête comme chou.
A noter : en regardant la formule, il devient clair que comparer des déphasages ou des amortissement, c'est du pareil au même. Si on fait une comparaison à épaisseur constante, c'est même "équivalent" à comparer des diffusivités.
"Bah, pas besoin de calculer, tout le monde sait que plus c'est dense, plus ça déphase, non?" NON.
Nos 16cm de fibre de bois semi-rigide déphasent d'un peu plus de 5h.
Nos 20cm de béton armé déphasent de...4h30!!!
Le champion du déphasage, c'est le bois massif : 20cm de bois dense déphase de presque 16h! Logique : il est déjà parmi les champions de la masse thermique, et il isole mal mais laaaargement mieux que les matériaux lourds/maçonnés. Evidemment, encore faut-il qu'il soit à peu près étanche à l'air (bois brut homogène, lamellé-collé, panneaux). Sinon la chaleur passera par le chemin le plus facile.
Pour une épaisseur donnée, ce qui détermine le déphasage n'est pas seulement la densité (rho), ni le pouvoir isolant (lambda), ni la chaleur massique (c ou Cp). C'est la diffusivité, qui est un mélange de tout ça.
Alors, c'est quoi l'inertie thermique?Tout d'abord, ce n'est pas la densité (rien à voir avec la chaleur). 
Riez au nez des gens qui vous disent ça, parce que moi j'en ai marre de le rabâcher. Et si ça moufte, dégainez le bois massif.
En fait, "l'inertie" sera tour à tour la capacité thermique ou le déphasage, selon le contexte. Aïe, c'est là que c'est pas pratique, et que pas mal de gens s'emmêlent définitivement les pinceaux, y compris des professionnels du bâtiment.
Bon, tu la craches ta valda? Par exemple, "l'inertie de l'isolant", elle sert ou pas?
Imaginons un isolant qui n'a aucune capacité thermique. Une lame d'air fera très bien l'affaire pour ça.
La chaleur se diffuse à vitesse grand V dans cet isolant. Si bien qu'en été ou en hiver, la moindre différence de température se traduit par une variation du flux de chaleur. Et vice-versa (c'est d'ailleurs le principe de la serre de jardin).
En été, si on n'a pas moyen de pomper cette chaleur, elle va s'accumuler et la température va finir par monter. Deux solutions :
- atténuer (et accessoirement retarder) la chaleur jusqu'au moment où on pourra l'évacuer facilement (la nuit) -> amortissement (et accessoirement déphasage).
- pomper la chaleur pour réguler la température: capacité thermique.
On a bien vu que la capacité thermique des isolants est plutôt faiblarde. On va donc miser sur l'atténuation (même si on parlera plus facilement déphasage) + des matériaux à forte capacité thermique à l'intérieur pour réguler : dalle en béton, mur de refend en pierre ou en pisé... Et aussi le mur d'enceinte lui-même si on est en isolation thermique par l'extérieur! Attention, pour l'ITE, il vaut mieux être conservateur et ne se reposer que sur "l'effet de peau" pour le décompte de la capacité thermique utile du mur en dur.
En hiver, reprenons notre "paroi" en isolant sans aucune capa thermique. On a des radiateurs ou tout autre dispositif de chauffe qui fournit de la chaleur en vue de maintenir la température. Quand il y a du soleil, le radiateur sera tranquilou voire éteint. En pleine nuit bien froide, il turbinera pour compenser les pertes. C'est du on/off, pas très agréable, ni très efficace pour la chaudière. Deux solutions :
- atténuer et retarder la baisse de température jusqu'au moment où il fait meilleur à l'extérieur. Vu que la température moyenne à l'extérieur est de toute façon basse, ça n'ira pas chercher bien loin comme gain énergétique.
- stocker la chaleur quand le radiateur est "on" et la relarguer quand il est "off". Mais vu sa capa thermique faiblarde, ça n'aura jamais autant d'impact que la masse thermique intérieure (dont les murs en dur de l'ITE).
- l'inertie de l'isolant, c'est sa capacité à ne pas diffuser la chaleur trop vite. Ca se "mesure" avec le déphasage. Et c'est essentiellement un plus en été.
- l'inertie d'une maison, c'est sa régulation naturelle : des matériaux stockeurs de chaleur entourés/protégés par de l'isolant. C'est crucial en été et ça améliore le confort en hiver. Ca se "mesure" avec la capacité thermique à l'intérieur du volume isolé.
