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Bien que l’accent principal de la performance environnementale des bâtiments soit maintenant mis sur l’utilisation du carbone, il est toujours nécessaire de considérer la performance thermique du tissu du bâtiment comme un facteur contributif. La performance thermique est mesurée en termes de perte de chaleur, et est communément exprimée dans l’industrie de la construction comme une valeur U ou une valeur R. Les calculs de la valeur U seront invariablement requis lors de l’établissement des stratégies de construction. Un certain nombre de termes ont des significations subtilement similaires, et des interprétations contradictoires peuvent être trouvées sur Internet. Les différentes terminologies, et la façon dont elles sont liées les unes aux autres, sont expliquées dans cet article.

Valeur U, ou transmittance thermique (réciproque de la valeur R)

La transmittance thermique, également connue sous le nom de valeur U, est le taux de transfert de chaleur à travers une structure (qui peut être un matériau unique ou un composite), divisé par la différence de température à travers cette structure. Les unités de mesure sont W/m²K. Plus une structure est bien isolée, plus la valeur U est faible. Les normes de fabrication et d’installation peuvent fortement affecter le coefficient de transmission thermique. Si l’isolation est mal posée, avec des interstices et des ponts thermiques, le coefficient de transmission thermique peut être considérablement plus élevé que souhaité. Le coefficient de transmission thermique prend en compte les pertes de chaleur dues à la conduction, à la convection et au rayonnement.

Calcul de la valeur U

Le calcul de base de la valeur U est relativement simple. En substance, la valeur U peut être calculée en trouvant l’inverse de la somme des résistances thermiques de chaque matériau composant l’élément de construction en question. Notez qu’en plus des résistances des matériaux, les faces internes et externes ont également des résistances, qui doivent être ajoutées. Ce sont des valeurs fixes.

Il existe un certain nombre de normes qui couvrent les méthodes de calcul du coefficient de transmission thermique. Elles sont énumérées dans la section ‘Liens et références utiles’ à la fin de cet article.

Des calculs simples de la valeur U peuvent être effectués de la manière suivante, en considérant la construction de l’élément de construction couche par couche. Notez cependant que cela ne tient pas compte des ponts thermiques (par des attaches murales par exemple), des lames d’air autour de l’isolation, ou des différentes propriétés thermiques des joints de mortier par exemple. Cet exemple considère un mur creux :

Matériau	Épaisseur	Conductivité (valeur k-valeur)	Résistance = Epaisseur ÷ conductivité (valeur R)
Surface extérieure	–	–	0.040 K m²/W
Briques de terre cuite	0,100 m	0,77 W/m⋅K	0,130 K m²/W
Laine de verre	0.100 m	0,04 W/m⋅K	2,500 K m²/W
Blocs de béton	0.100 m	1,13 W/m⋅K	0,090 K m²/W
Plâtre	0,013 m	0,50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Surface intérieure	–	–	0,130 K m²/W
Total			2.916 K m²/W
Valeur U =		1 ÷ 2,916 =	0,343 W/m²K

Notez que dans l’exemple ci-dessus, les conductivités (valeurs k) des matériaux de construction sont librement disponibles en ligne ; en particulier auprès des fabricants. En fait, l’utilisation des données du fabricant améliorera la précision, lorsque les produits spécifiques spécifiés sont connus au moment du calcul. Bien qu’il soit possible de prendre en compte les joints de mortier dans le calcul ci-dessus, en évaluant le % de surface de mortier par rapport à la maçonnerie qui en est recouverte, il faut garder à l’esprit qu’il s’agit d’une technique rudimentaire par rapport à la méthode plus robuste exposée dans la norme BS EN ISO 6946I.

Mesurer la valeur U

Alors que les calculs de conception sont théoriques, des mesures post-construction peuvent également être entreprises. Celles-ci ont l’avantage de pouvoir tenir compte de la fabrication. Les calculs du coefficient de transmission thermique pour les toits ou les murs peuvent être effectués à l’aide d’un fluxmètre thermique. Il s’agit d’un capteur thermopile fermement fixé à la zone d’essai, afin de surveiller le flux de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur. Le coefficient de transmission thermique est obtenu en divisant le flux (débit) thermique moyen par la différence de température moyenne (entre l’intérieur et l’extérieur) sur une période continue d’environ 2 semaines (ou plus d’un an dans le cas d’une dalle de rez-de-chaussée, en raison du stockage de chaleur dans le sol).

La précision des mesures dépend d’un certain nombre de facteurs :

• Magnitude de la différence de température (plus grande = plus précise)
• Conditions météorologiques (un temps nuageux est préférable à un temps ensoleillé)
• Bonne adhérence des thermopiles à la zone de test
• Durée de la surveillance (une durée plus longue permet d’obtenir une moyenne plus précise)
• Plus de points de test permettent une plus grande précision, d’atténuer les anomalies

Deux facteurs de complication qui peuvent affecter les propriétés de transmission thermique des matériaux sont :

• La température ambiante, en raison de la chaleur latente entre autres facteurs
• Les effets des courants de convection (l’augmentation de la convection contribue au flux de chaleur)

Calculateurs de valeurs U

Comme le calcul des valeurs U peut prendre du temps et être complexe (en particulier lorsque par exemple les ponts thermiques doivent être pris en compte), de nombreux calculateurs de valeurs U en ligne ont été publiés. Cependant, beaucoup d’entre eux ne sont disponibles que sur abonnement, et ceux qui sont gratuits ont tendance à être trop simplistes. Une autre option consiste à demander un calcul à un fabricant d’isolation, par exemple, dont le produit est spécifié.

Les documents approuvés par les règlements de construction L1A, L2A, L1B et L2B en Angleterre et au Pays de Galles font tous référence à la publication BR 443 Conventions pour le calcul de la valeur UII pour les méthodologies de calcul approuvées, tandis que le document d’accompagnement Conventions de valeur U dans la pratique. Worked examples using BR 443III fournit des indications utiles.

Valeur R, ou insulance thermique (réciproque de la valeur U)

L’insulance thermique est l’inverse de la transmission thermique ; en d’autres termes, la capacité d’un matériau à résister au flux de chaleur. Les valeurs R sont plus couramment utilisées dans certaines parties du monde (par exemple, en Australasie), contrairement à la préférence du Royaume-Uni pour les valeurs U. Les unités de mesure du coefficient de transmission thermique sont les m²K/W et, là encore, un chiffre plus élevé indique une meilleure performance (contrairement au chiffre plus bas souhaité pour la valeur U).

Valeur k, ou conductivité thermique (également connue sous le nom de valeur lambda ou λ ; réciproque de la résistivité thermique)

La conductivité thermique est la capacité d’un matériau à conduire la chaleur. Par conséquent, une conductivité thermique élevée signifie que le transfert de chaleur à travers un matériau se produira à un taux plus élevé ; notez que cela dépend également de la température. Les unités de la conductivité thermique sont W/m⋅K. Contrairement aux valeurs U et R cependant, les valeurs k ne dépendent pas de l’épaisseur du matériau en question.

Valeur Y, ou admittance thermique, ou coefficient de transfert de chaleur

La capacité d’un matériau à absorber et à libérer la chaleur d’un espace interne, lorsque la température de cet espace change, est appelée admittance thermique (ou coefficient de transfert de chaleur), et est définie dans la norme BS EN ISO 13786:2007 Performance thermique des éléments de constructionIV. Ce coefficient constitue également la base du « modèle dynamique d’effectif » du Guide A de CIBSE : Conception environnementaleV, qui est utilisé pour calculer les charges de refroidissement et les températures des espaces en été. Plus l’admittance thermique est élevée, plus la masse thermique sera élevée. L’admittance thermique est similaire à la transmittance thermique (et utilise les mêmes unités de mesure). Cependant, elle mesure la capacité de stockage thermique d’un matériau, c’est-à-dire la capacité d’un matériau à stocker et à libérer la chaleur sur une période donnée, généralement 24 heures. En commun avec la transmission thermique, les unités de mesure sont W/m²K.

Notez que l’admittance thermique « valeur Y » ne doit pas être confondue avec le facteur de pontage thermique « valeur y », qui est défini dans l’annexe K de la procédure d’évaluation standard (SAP) comme étant dérivé de la transmission thermique linéaire.

Valeur Psi (Ψ), ou transmittance thermique linéaire

La mesure de la perte de chaleur due à un pont thermique est appelée transmittance thermique linéaire (par opposition à la transmittance thermique  » surfacique  » qui est autrement appelée valeur U), les unités de mesure étant, là encore, W/m²K. Les valeurs Psi sont utilisées pour générer les valeurs y (facteur de pontage thermique) dans l’annexe K de la procédure d’évaluation standard.

Résistivité thermique (réciproque de la conductivité thermique)

La résistivité thermique est la capacité d’un matériau à résister à la conduction thermique à travers lui. Comme la valeur k, cette propriété ne dépend pas de l’épaisseur du matériau en question. Les unités de la résistivité thermique sont K⋅m/W.

Conductance thermique (réciproque de la résistance thermique)

Il s’agit de la quantité de chaleur conduite à travers un matériau d’un volume donné, par unité de temps c’est-à-dire la vitesse de conduction. En tant que telle, les unités de mesure sont W/K.

Résistance thermique (réciproque de la conductance thermique)

C’est une mesure de la capacité d’un matériau à résister à la conduction de la chaleur à travers lui, et est mesurée en K/W. Comme pour la conductance thermique, c’est une mesure du taux de transfert pour un volume donné.

Masse thermique

Jusqu’à présent largement ignorée dans l’industrie de la construction britannique, la masse thermique (par opposition à l’admittance thermique) est dérivée de la capacité thermique spécifique (la capacité d’un matériau à stocker la chaleur par rapport à sa masse), de la densité et de la conductivité thermique (la facilité avec laquelle la chaleur peut se déplacer à travers un matériau). La conductivité thermique est utilisée par SAP 2009 sous la forme de la valeur « k » (ou kappa), dans le calcul du paramètre de masse thermique (TMP). La valeur « k » est la capacité thermique par unité de surface de la partie « thermiquement active » de l’élément de construction (seuls les quelque 50 premiers millimètres d’épaisseur de l’élément ont un impact réel sur la masse thermique, car elle diminue avec la profondeur de l’élément ; au-delà de 100 mm, l’effet est négligeable). Il convient de noter que la valeur « k » est une approximation, car des hypothèses sont faites sur l’étendue des volumes thermiquement actifs d’un matériau ; en outre, elle ignore l’effet de la conductivité thermique dans le calcul de la période pendant laquelle la chaleur est absorbée et émise par le matériau. La norme BS EN ISO 13786VI fournit une méthode plus efficace pour déterminer la masse thermique. La masse thermique ne doit pas être confondue avec l’isolation.

On ne saurait trop insister sur l’importance de la masse thermique, comme l’illustrent ces exemples :

Construction des murs	U-.	Admission thermique	Masse thermique
200mm de briques 13mm de plâtre « humide »	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm brique 150mm cavité remplie de laine minérale 100mm bloc de béton cellulaire 13mm plaque de plâtre sèche sur dabs 10mm	0.19 W/m²K	1,86 W/m²K	9 kJ/m²K

Notez à quel point la masse thermique du mur creux moderne est faible, en comparaison avec le mur en briques pleines. En remplaçant le revêtement sec par du plâtre « humide » de 13 mm, on peut cependant augmenter considérablement l’admittance :

Construction du mur	Valeur U	Admission thermique	Masse thermique
Brique de 100 mm Cavité remplie de 150 mm de laine minérale Cavité remplie de 150 mm de laine minérale .de laine minérale 100mm bloc de béton cellulaire 13mm plâtre « humide »	0.19 W/m²K	2,74 W/m²K	60 kJ/m²K

Découpler la plaque de plâtre de cette manière peut donc être considéré comme supprimant presque complètement la masse thermique effective dans une maison construite selon les normes et techniques modernes.

L’utilisation de la masse thermique pour lutter contre la surchauffe en été est discutée plus en détail dans la série d’articles Adaptation au changement climatique dans les bâtiments : Excès de chaleur, parties unVII et deuxVIII.

Décroissance

Décrit la manière dont la densité, la capacité thermique et la conductivité thermique d’un matériau, peuvent ralentir le passage de la chaleur d’un côté à l’autre, et également réduire ces gains lorsqu’ils le traversent. Cela a donc une influence sur la performance thermique d’un bâtiment pendant les périodes plus chaudes. On parle respectivement de délai de décrémentation et de facteur de décrémentation.

Phase chimique

Lorsqu’un matériau change d’état, passant de solide à liquide, ou de liquide à gaz, la conductivité thermique de ce matériau peut changer. Cela est dû à l’absorption et à la libération de chaleur latente, et peut également se produire à des échelles plus petites qui peuvent être avantageuses dans la construction.

Les matériaux deviennent plus facilement disponibles et peuvent fournir une masse thermique élevée à partir de petits volumes. Connus sous le nom de matériaux à changement de phase (PCM), ce sont des substances qui peuvent stocker et libérer de la chaleur latente, lors de la fusion et de la solidification respectivement sur une plage de température étroite. Ces matériaux peuvent être micro-encapsulés dans certains types de matériaux de construction tels que le plâtre ou l’argile, pour former des panneaux de revêtement mural ou des dalles de plafond. Ils peuvent également être macro-encapsulés, par exemple dans des plaques d’échangeur de chaleur utilisées dans les unités de refroidissement et de ventilation, et sont étudiés pour être incorporés dans des panneaux en mousse de polyuréthane, pour des applications telles que les panneaux de revêtement composite à surface métallique. L’avantage des MCP est qu’ils peuvent fournir des quantités importantes de masse thermique, tout en étant eux-mêmes très minces ; c’est-à-dire que la masse thermique semble disproportionnée par rapport à l’épaisseur physique du matériau.

Les MCP pourraient offrir une solution pratique à la réintroduction de la masse thermique dans les bâtiments légers, pour contrer la surchauffe, et sont discutés plus en détail dans la série d’articles Adaptation au changement climatique dans les bâtiments : Excès de chaleur (deuxième partie)IX.

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