6-3 - Comprendre l'inertie thermique, la diffusivité, l'effusivité et leurs incidences sur le confort


Exemple de maison passive - © J-M Pupille - Architecte

Exemple de maison passive - © J-M Pupille Architecte



Le sommaire et l'index du blog PassivAct

Définition de l'inertie et de l'inertie thermique


L’inertie est la tendance de tout système à conserver son état initial en permanence. Toutes les actions concourant à l’évolution de nombreux systèmes sont en effet modérées par l'inertie qui a tendance à les conserver dans leur état d’origine parce qu’ils y sont en situation d’équilibre. Dans le domaine de la construction, c'est l'inertie thermique qui doit être impérativement prise en considération afin d'assurer au mieux le confort tout en limitant les besoins d'énergie.

Contrairement à toutes les autres lois de la thermique, dont le fonctionnement n’est pas altéré par les évolutions normales du milieu, l’inertie thermique n’existe que grâce à elles. C’est une réaction collatérale inévitable qui, en cas d'évolution de l'environnement, à d'abord tendance à stabiliser la température interne d'un bâtiment à son niveau initial puis à l'amener lentement vers un nouvel équilibre global plus en adéquation au contexte dans lequel il se situe à un moment donné. Ce phénomène est amplifié du fait que deux types d’inertie thermique se côtoient en permanence et concourent toutes deux, mais de manière totalement différente, à modérer fortement les évolutions de l'ambiance intérieure modifiées en permanence par les évolutions parfois rapides et intenses du climat local. Elles ont toutes deux tendances à stabiliser et donc à améliorer puis à conserver le confort que les bâtiments sont susceptibles de procurer, sans la moindre autre source d'énergie que celle de l'environnement, de manière totalement passive :
  • Les parois qui séparent les ambiances intérieures et extérieures, les façades chargées d’assurer la plus grande partie du confort intérieur, s’opposent, en parallèle à l’isolation, mais de manière différente, aux transmissions des variations du climat extérieur grâce à l’inertie par transmission
  • L’intérieur des parois extérieures, les parois intérieures verticales et horizontales et tous les objets intérieurs s’opposent aux variations rapides du confort intérieur et le stabilisent grâce à l’inertie par absorption.

Inertie et système dynamique


Quel que soit son domaine d’application, la définition de l’inertie fait référence à une évolution, une environnement dynamique parfois instable. De fait, elle ne se manifeste que lorsqu’un changement est en cours et, par voie de conséquence, lorsqu’il existe un flux d’énergie capable de le provoquer. En s’opposant à toute variation, l’inertie s’oppose donc à ce flux. C’est bien évidemment le cas des deux inerties qui interviennent dans le domaine de la construction avec toutefois des conséquences totalement différentes en terme de conception. Dans ce domaine, le terme « inertie » ne devrait donc pas être utilisé sans qu’il soit suivi de son type par transmission ou par absorption.

L'inertie n'existe pas dans un système dont la température est stable ou peu évolutive. C'est notamment le cas sous nos latitudes en France, en hiver parce que la température intérieure est régulée par les systèmes de chauffages et que la température extérieure ne varie que très peu, même en présence de soleil. En été par contre, l'inertie est importante car l'environnement peut être très dynamique. Sous nos climats, la climatisation doit être évitée et, dans ce cas, les températures intérieures ne sont donc pas régulées alors que simultanément les différences de température extérieures peuvent être très importantes en suivant la course quotidienne du soleil.

Le rôle de l’inertie par transmission


Bien qu’assuré différemment, le rôle de l’inertie par transmission des parois extérieures de bâtiments ressemble à celui des isolants qui limitent les échanges de chaleur, et donc de flux, entre leurs deux faces. La ressemblance s’arrête là. L’isolation fonctionne quel que soit le régime de température, stable ou variable, alors que l’inertie par transmission nécessite un milieu dynamique. En d’autres termes, l’isolation est efficace en toutes circonstances alors que l’inertie par transmission ne fonctionne que lorsque des variations de température importantes se manifestent. L’isolation se comporte aussi bien en hiver qu’en été, le jour et la nuit. L’inertie par transmission ne fonctionne bien que lorsque les variations de température quotidienne sont importantes. C’est spécifiquement le cas en été lorsque l’augmentation de la température de l’air se cumule avec les surchauffes créées par l’ensoleillement direct des parois. L’inertie par transmission n’empêche pas la chaleur de transiter à travers la paroi, mais ralentit sa vitesse de transmission et son amplitude. Le ralentissement est tel que la chaleur arrive à l’intérieur bien après que la paroi n’ait été soumise à l’ensoleillement maximal. Ce décalage temporel entre le moment où la température est maximale à l’extérieur et celui où elle l’est à l’intérieur est appelé le déphasage. Il doit être déterminé de manière à ce que la chaleur arrive à l’intérieur pendant la nuit lorsqu’il est possible de ventiler fortement pour l’évacuer sans incidence sur le confort intérieur. L’amplitude est réduite par le fait que le flux de chaleur poursuit sa trajectoire vers l’intérieur alors qu’une partie repart vers l’extérieur dès que l’ensoleillement disparaît. L’inertie thermique par transmission ne peut en aucun cas se substituer à une isolation de qualité destinée à assurer le confort d’hiver et à limiter les besoins de chauffage, mais peut contribuer à l’amélioration du confort d’été sans climatisation, si elle est liée à une forte ventilation nocturne à plus faible température que la température existant à l'intérieur. Ce type d’inertie est efficace quels que soient l’usage du bâtiment et sa fréquence d’utilisation.

Le rôle de l’inertie par absorption


Le fonctionnement de l'inertie par absorption n’a aucun point commun avec l’inertie par transmission, mais nécessite également un milieu dynamique. Elle s’oppose uniquement aux variations de température intérieure en se comportant telle une éponge thermique, en stockant et déstockant la chaleur en fonction de la température intérieure. La chaleur ou le froid peuvent provenir de l’extérieur ou de systèmes installés à l’intérieur. Lorsque l’évolution de la température intérieure est due à celle du climat extérieur, l’inertie par absorption n’a, contrairement à l’inertie par transmission et aux isolants, aucune influence sur le flux de chaleur entre les deux ambiances. Son action n’est effective que lorsque l'énergie impacte directement une paroi, à l'exemple les rayons de soleil sur le sol, ou lorsque la température intérieure commence à varier quelle qu'en soit la raison. Lorsqu'elle augmente, les murs absorbent de la chaleur jusqu’à établir une nouvelle situation d’équilibre avec l’air. Inversement, lorsque la température intérieure baisse, les murs libèrent de la chaleur accumulée jusqu’à l’obtention ultérieure d’une nouvelle stabilité. L’inertie par absorption amortit l’amplitude des variations de température intérieure d’où que provienne la source d’énergie. Son efficacité est maximale en mi saison ou en période estivale, quand les variations de température intérieures sont les plus importantes comme c'est également le cas de l’inertie par transmission. Ellene peut en aucun cas se substituer à une isolation de qualité destinée à assurer le confort et à limiter les besoins énergétiques toute l’année, mais peut contribuer à l’amélioration du confort d’été, sans climatisation, si elle est liée à une forte ventilation nocturne notamment lorsque la température nocturne extérieur baisse de manière significative. Ce type d’inertie est efficace pour tout usage continu du bâtiment. En cas d’usage discontinu, l’inertie peut être un facteur d’inconfort ou d’augmentation des besoins par le fait que les temps de chauffage ou de climatisation sont plus longs. Les systèmes de programmation devront prendre en compte ce mode de fonctionnement éventuel.

Comme il vient de l’être précisé, les deux inerties thermiques ont des fonctionnements totalement différents, mais des conséquences proches notamment en termes de confort dans les bâtiments à usage continu tels que le sont fréquemment les bâtiments d’habitation. Les fonctionnements sont différents parce que les caractéristiques physiques impliquées sont différentes.

L’inertie par transmission est caractérisée par la diffusivité


Cette grandeur détermine la vitesse à laquelle un matériau est susceptible de transmettre la chaleur d’une face à l’autre d’une même paroi, en régime de température variable. Elle est calculée par la formule D = λ/(ρC). L’inertie par transmission d’un matériau est d’autant plus importante que sa diffusivité est faible et que son épaisseur est importante. Les matériaux à faible diffusivité doivent avoir un faible coefficient de conductivité λ avec une forte densité ρ et une chaleur spécifique C importante. La formule de calcul D = λ/(ρC) étant un rapport dans lesquels les caractéristiques des matériaux ont des actions opposées, les calculs doivent être réalisés au cas par cas, mais ce sont pratiquement toujours les isolants qui sont les matériaux les moins diffusifs. Un des matériaux de construction le plus efficace de ce point de vue, un des plus écologiques également, est la laine de bois.

L’inertie par absorption est caractérisée par l’effusivité


Cette grandeur détermine la capacité d’un matériau à stocker ou déstocker rapidement une grande quantité l’énergie thermique en régime de température variable. Elle est calculée par la formule E = √(λρC) = ρC √D. L’inertie par absorption d’un matériau est d’autant plus efficace que son effusivité et que sa surface sont importantes. L’épaisseur minimale des matériaux varie en fonction de la durée d’efficacité recherchée. Dans le cas de constructions maçonnées traditionnelles, les épaisseurs nécessaires à l’assurance du confort au quotidien sont de l’ordre de 10cm par face exposée. Les matériaux à forte effusivité doivent avoir un coefficient de conductivité λ, une densité ρ et une chaleur spécifique C maximum. Ce sont toujours les matériaux massifs qui sont les matériaux les plus effusifs. Un des matériaux de construction le plus efficace de ce point de vue est le béton plein.

Dans ces formules :
  • λ est le coefficient de conductivité du matériau, sa capacité à conduire la chaleur exprimée en W/m•K
  • ρ est la masse volumique du matériau, sa densité exprimée en kg/m3
  • C est la chaleur spécifique du matériau, sa capacité à stocker de la chaleur par unité de volume exprimée en J/kg•K
  • D est la Diffusivité, sa capacité à ralentir le transfert de chaleur exprimée en m2/s
  • E est l’Effusivité, sa capacité à réguler l’ambiance intérieure exprimée en J/m2•K•s1/2

Le but d’une paroi extérieure est d’assurer le confort maximum quel que soit le climat extérieur et donc, dans le pire des cas, en régime dynamique. Son inertie par transmission et son inertie par absorption doivent, en conséquence, être simultanément maximales, surtout en climat chaud avec des différences de températures quotidiennes importantes :
  • L’inertie par transmission est maximale quand la vitesse de transmission, sa diffusivité, est minimale.
  • L’inertie par absorption est maximale quand sa capacité de stockage, son effusivité, est maximale.

Les matériaux à forte inertie par transmission et par absorption ne peuvent pas exister


Un matériau idéal, optimisé pour le confort, devrait donc avoir une diffusivité minimale et une effusivité maximale. La physique démontre que c’est parfaitement impossible puisque les deux sont interdépendants tel que le précise la relation E = ρC √D. L’effusivité d’un matériau dépend de sa diffusivité. Quand l’une est maximale, l’autre l’est aussi. Autrement dit, plus un matériau est effusif et plus il est diffusif, plus il est capable de stocker de l’énergie et plus il conduit rapidement la chaleur d’une de ces faces à l’autre. Les matériaux à la fois faiblement diffusif et fortement effusif ne peuvent pas exister.

Les matériaux à forte inertie par transmission et, simultanément,
à forte inertie par absorption ne peuvent physiquement pas exister.

Inertie thermique et confort


Pour améliorer le confort, il n’existe donc pas d’autre solution que d’avoir deux matériaux différents. Celui soumis aux aléas du climat, situé à l’extérieur de la construction, doit avoir une inertie par transmission maximale et donc une diffusivité minimale, alors que celui situé à l’intérieur doit avoir une inertie par absorption maximale donc une effusivité maximale.

Les matériaux extérieurs doivent avoir une faible diffusivité.
Les matériaux intérieurs doivent avoir une forte effusivité

Ces deux propriétés interviennent essentiellement dans le cadre de l’amélioration du confort, mais l'inertie par absorption contribue également à baisser la consommation de chauffage en hiver et l'inertie par transmission contribue à limiter les besoins de climatisation dans les régions ou elles est indispensable en été.

Inertie thermique et ambiance évolutive


L'inertie thermique n'existe que dans une ambiance dynamique. Elle est même d'autant plus efficace que l'ambiance évolue fortement et rapidement, comme, par exemple, lorsque le soleil frappe une façade ou le sol d'une pièce puis disparait quelques heures plus tard. Elle n'a aucune utilité dans un système stable, lorsque la température ne varie que très peu ou très lentement, comme, par exemple, lorsque la température nocturne ne baisse pas et que la ventilation nocturne ne peut donc pas être efficace.

Conséquences de l'inertie sur les techniques de construction


Ces derniers paragraphes impliquent que, du point de vue de l’inertie, en régime de température variable, notamment en climat chaud et en été, la meilleure solution, celle qui permet d’assurer le meilleur confort, qui ne découle pas d'un avis personnel, mais de la seule application des règles de la physique, est l'ITE, l’Isolation Thermique par l’Extérieur, avec un mur massif intérieur et une ventilation nocturne mettant en œuvre des volumes importants et des températures fraiches.

Une conclusion des informations précédentes est que les matériaux isolants dans la masse ne peuvent pas être les plus efficaces en termes d’inertie de confort puisqu’ils ne peuvent pas satisfaire simultanément à l’optimisation des deux types d’inerties. Attention bien évidemment aux vendeurs de ce type de matériaux qui prétendront le contraire sans la moindre gêne, probablement d’ailleurs, au moins en partie, par méconnaissance de ces propriétés physiques.

L’inertie et les maisons passives


Les maisons passives nécessitent une isolation efficace et sans pont thermique pour obtenir un besoin de chaleur minimum optimisé. L’ITE, isolation thermique par l’extérieur, est souvent la seule solution qui permette d’atteindre cet objectif. Une des conséquences de cette qualité d’isolation est l’amélioration du confort due à l’augmentation de la température des surfaces intérieures des parois extérieures. Comme indiqué précédemment, l’ITE est également la meilleure solution en termes de confort résultant de l’inertie. L’amélioration du confort par la qualité de l’isolation se combine donc à celle résultant des deux types d’inertie pour donner le meilleur résultat possible.

Dans le sud de la France, les habitations traditionnelles sont pratiquement toujours construites en matériaux lourds et épais, en terre ou en brique foraine par exemple. Elles assurent un confort d’été évident, mais un confort d’hiver souvent lamentable parce que les isolants n’existaient quasiment pas. Dans cette région chaude en été, les habitations en bois n’existent pratiquement pas. Ce constat vient probablement du fait nos anciens avaient acquis la connaissance de la difficulté à y assurer un confort acceptable en été, sans inertie par transmission faute d'isolant adéquat, sans inertie par absorption faute de parois lourdes et sans moyen de climatisation. Dans ces régions, une inertie par transmission permettant un déphasage jusqu’à la nuit, grâce à l'isolation des façades, et une inertie par absorption suffisante, notamment grâce aux chapes, devront être mis en œuvre dans les constructions bois. Une ventilation nocturne performante et sécurisée, par ouverture des fenêtres oscillo-battantes, devra également être prévue afin d'évacuer la nuit, en toute sécurité, la chaleur stockée le jour dans les toutes les parois lourdes. En cas d'impossibilité, une surventilation par la VMC double flux pourra être un substitut efficace. Enfin, la réalisation d'un puits climatique, de type puits provençal hydraulique post VMC, sera une solution qui pourra garantir une ventilation minimale particulièrement efficiente, souvent indispensable pendant les périodes de canicule.


Lire la suite…

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G. à Toulouse



En résumé :

  • L’inertie est la tendance de tout système à conserver son état initial.
  • L’inertie thermique ne se manifeste qu’en régime dynamique
  • Il existe deux types d’inerties thermiques : l’inertie par transmission et l’inertie par absorption
  • Les deux inerties thermiques ne peuvent en aucun cas se substituer à l’isolation
  • L’inertie par transmission est caractérisée par la diffusivité
  • Les matériaux de construction les moins diffusifs sont les isolants.
  • L’inertie par absorption est caractérisée par l’effusivité
  • Les matériaux les plus effusifs sont les matériaux de structure des constructions maçonnées
  • Plus un matériau est diffusif, plus il est effusif.
  • Les matériaux idéaux, optimisés pour le confort, faiblement diffusif et fortement effusif ne peuvent pas exister.
  • Les matériaux extérieurs doivent avoir une faible diffusivité.
  • Les matériaux intérieurs doivent avoir une forte effusivité.
  • Les ITE, Isolation Thermique par l’Extérieur, sont les meilleures solutions thermiques et de confort parce qu’elles combinent la meilleure qualité de l’isolation avec la meilleure qualité des inerties par transmission et par absorption.


Article précédent sur le sujet Article suivant sur le sujet

 



Sur le même sujet
Thème 6 - La thermique