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6-11 - Qualités thermiques comparées des matériaux de construction

30/06/2017 -

Choix par comparaison

Le choix des matériaux qui ont une incidence déterminante sur la qualité thermique des constructions performantes ne peut résulter que de la connaissance et de la compréhension des caractéristiques physiques qui définissent leurs aptitudes à assurer le confort tout en limitant les consommations d’énergie. La connaissance des notions de conductivité thermique et d’inerties ainsi que de leurs valeurs caractéristiques pour chaque matériau n’est en effet pas suffisante pour appréhender leurs qualités pratiques réelles. La compréhension de leur qualité thermique ne peut résulter que de la comparaison de leurs caractéristiques propres avec celles de matériaux déjà connues pour leur efficacité concrète, le polyuréthane pour la conductivité, la fibre de bois pour l'inertie thermique par transmission et le béton pour l’inertie thermique par absorption par exemple. C’est cette comparaison qui va permettre de faire les bons choix dès les premières esquisses de projet, mais aussi pendant la phase de confirmation par les calculs thermiques indispensables à la garantie des résultats.

Dans la suite de cet article, les données sont principalement, mais pas uniquement, issues des règles Th-U des matériaux de la réglementation thermique française. Elles ne sont fournies qu’à titre indicatif, pour définir des ordres de grandeur, pour comparaisons, et ne peuvent pas être utilisées dans des calculs thermiques concrets.

Exemples de coefficients de conductivité

La conductivité d’un matériau est sa capacité à transmettre la chaleur. Elle est caractérisée par le coefficient de conductivité λ (Lambda), exprimé en W/m•K (Watt par mètre Kelvin) qui doit être le plus faible possible.

Les matériaux sont considérés isolant lorsque leur coefficient de conductivité λ et inférieur à 0,05W/mK. Les isolants habituels ont un coefficient d’environ 0,04W/mK alors que les meilleurs d’entre eux ont, actuellement, un coefficient de 0,022W/mK. Mesuré en laboratoire, il doit être certifié par des organismes indépendants. La variation de conductivité entre le meilleur isolant, le polyuréthane, et le meilleur conducteur, l'aluminium, de type métallique dépasse 10 000. L'aluminium est 7 200 fois plus conducteur que l'isolant le plus vendu en France, la fibre de verre.

Conductivité des matériaux

Classement	Matériau	Conductivité W/mK	Échelle λ_n / λ_LdV
1	Polyuréthane	0,022	/ 1,5
1	Mousse phénolique	0,022	/ 1,5
2	Laine de verre(Base de comparaison)	0,032	1
3	XPS (polystyrène extrudé)	0,034	* 1,1
4	Laine de roche	0,035	* 1,1
5	Fibre de bois souple (structure des murs)	0,036	* 1,1
6	Fibre de bois en flocons	0,038	* 1,2
6	PSE (polystyrène expansé)	0,038	* 1,2
7	Ouate de cellulose (flocons)	0,039	* 1,2
7	Textile recyclé	0,039	* 1,2
8	Chanvre	0,04	* 1,3
	Laine de lin
	Laine de mouton
	Liège expansé
9	Fibre de bois ITE (panneau rigide)	0,043	* 1,3
10	Paille (règles professionnelles)	0,052	* 1,6
11	Béton cellulaire (bloc isolant)	0,09	* 2,8
12	Bois sapin, épicéa	0,11	* 3,4
13	Panneau OSB	0,13	* 4,1
14	Bois chêne	0,18	* 5,6
15	Plaque de plâtre	0,25	* 7,8
16	Enduit de plâtre	0,52	* 16
17	Verre	1	* 31
18	Béton massif	2	* 63
19	Béton armé	2,3	* 72
20	Acier inoxydable	17	* 530
21	Acier	50	* 1 600
22	Aluminium	230	* 7 200

Isolants : valeurs fabricants ou ACERMI, à défaut règles Th-Bât ; matériaux de structure : règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017). Échelle par rapport à la laine de verre (0,032 W/mK) : « * n » = n fois plus conducteur, « / n » = n fois moins conducteur.
IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)

Graphique : conductivité des matériaux

Conductivité thermique λ en W/mK, échelle logarithmique

Polyuréthane0,022

Mousse phénolique0,022

Laine de verre (base)0,032

XPS (polystyrène extrudé)0,034

Laine de roche0,035

Fibre de bois souple (structure des murs)0,036

Fibre de bois en flocons0,038

PSE (polystyrène expansé)0,038

Ouate de cellulose (flocons)0,039

Textile recyclé0,039

Chanvre0,04

Laine de lin0,04

Laine de mouton0,04

Liège expansé0,04

Fibre de bois ITE (panneau rigide)0,043

Paille (règles professionnelles)0,052

Béton cellulaire (bloc isolant)0,09

Bois sapin, épicéa0,11

Panneau OSB0,13

Bois chêne0,18

Plaque de plâtre0,25

Enduit de plâtre0,52

Verre1

Béton massif2

Béton armé2,3

Acier inoxydable17

Acier50

Aluminium230

0,0010,010,11101001 000

IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)
Sources : valeurs des fabricants ou certifiées ACERMI ; à défaut, règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017).

La conductivité des matériaux est la seule caractéristique, parmi les trois prises en compte dans ce chapitre, qui permet de garantir la limitation des besoins énergétiques tout au long de l’année, en été comme en hiver, la nuit comme le jour.

L’isolation thermique protège toute l’année

Exemples de diffusivité

La diffusivité D d’un matériau caractérise sa vitesse de transmission des flux de chaleur d’une de ses parois à l’autre ou, ce qui revient au même, sa capacité à ralentir ce transfert de chaleur. Elle n’est pratiquement jamais connue directement, mais elle peut être déterminée par un calcul simple qui nécessite de connaître les caractéristiques de masse volumique ou densité ρ (Rhô) et de chaleur spécifique ou chaleur massique C du matériau. La formule de calcul D = λ/(ρC) donne le résultat exprimé en m2/s.

Plus la diffusivité est élevée et plus la vitesse de transmission est rapide. Inversement, plus elle est faible et plus la vitesse de transmission est lente. Elle n’a d’intérêt que lorsqu’il existe de fortes variations de température et que le transfert du flux de chaleur doit être ralenti ou stabilisé. Sa valeur, en elle-même, n’a pas grand intérêt, la différence avec les autres matériaux non plus, ce qui compte c’est son rapport avec les autres.

La fibre de bois à une diffusivité pratiquement 1 000 fois plus faible que celle du cuivre, mais elle est seulement environ 7 fois inférieure à celle du béton comme, d’ailleurs, celle du polystyrène expansé ou de la laine de verre. Cet écart est suffisant pour avoir une importance marquée sur la qualité du confort estival sans climatisation dans les constructions faiblement isolées.

Dans le cadre de maisons passives isolées par l’extérieur, le matériau qui est le plus efficace du point de vue inertie par transmission, celui qui a la plus faible diffusivité, est la fibre de bois. C’est elle qui ralentit le plus le flux de chaleur qui traverse les parois exposées au sud ou sous les toits.

Diffusivité des matériaux de construction

Classement	Matériau	Conductivité W/mK	Masse volumique kg/m³	Chaleur spécifique J/kgK	Diffusivité × 10⁸ m²/s	Échelle a_n / a_LdV
1	Panneau OSB	0,13	650	1 700	12	/ 11
2	Bois sapin, épicéa	0,11	450	1 600	15	/ 8,1
3	Bois chêne	0,18	700	1 600	16	/ 7,7
4	Fibre de bois ITE (panneau rigide)	0,043	110	2 100	19	/ 6,7
5	Liège expansé	0,04	120	1 560	21	/ 5,8
6	Béton cellulaire (bloc isolant)	0,09	350	1 000	26	/ 4,8
6	Paille (règles professionnelles)	0,052	100	2 000	26	/ 4,8
7	Plaque de plâtre	0,25	825	1 000	30	/ 4,1
8	Fibre de bois souple (structure des murs)	0,036	50	2 100	34	/ 3,6
9	Mousse phénolique	0,022	35	1 400	45	/ 2,8
9	Fibre de bois en flocons	0,038	40	2 100	45	/ 2,8
10	Ouate de cellulose (flocons)	0,039	45	1 900	46	/ 2,7
11	Enduit de plâtre	0,52	1 100	1 000	47	/ 2,6
12	Polyuréthane	0,022	30	1 400	52	/ 2,4
13	Verre	1	2 500	750	53	/ 2,3
14	XPS (polystyrène extrudé)	0,034	35	1 450	67	/ 1,9
14	Chanvre	0,04	35	1 700	67	/ 1,9
15	Laine de lin	0,04	30	1 600	83	/ 1,5
15	Béton massif	2	2 400	1 000	83	/ 1,5
16	Laine de roche	0,035	40	1 030	85	/ 1,5
17	Laine de mouton	0,04	25	1 700	94	/ 1,3
18	Béton armé	2,3	2 400	1 000	96	/ 1,3
19	Textile recyclé	0,039	25	1 300	120	1
19	Laine de verre(Base de comparaison)	0,032	25	1 030	120	1
20	PSE (polystyrène expansé)	0,038	20	1 450	130	* 1,1
21	Acier inoxydable	17	7 900	460	470	* 3,8
22	Acier	50	7 800	450	1 400	* 11
23	Aluminium	230	2 700	880	9 700	* 78

Diffusivité a = λ / (ρ · c_p) : rapidité avec laquelle la chaleur se propage ; plus elle est faible, plus le matériau est lent à suivre la température.
Données indicatives. Conductivités : fabricants, ACERMI ou règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017). Masses volumiques et chaleurs spécifiques : règles Th-Bât ou fiches fabricants ; valeurs typiques pour les isolants biosourcés. Échelle par rapport à la laine de verre : « * n » = n fois supérieure, « / n » = n fois inférieure.
IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)

Graphique : diffusivité des matériaux

Diffusivité thermique a × 10⁸ en m²/s, échelle logarithmique

Panneau OSB12

Bois sapin, épicéa15

Bois chêne16

Fibre de bois ITE (panneau rigide)19

Liège expansé21

Béton cellulaire (bloc isolant)26

Paille (règles professionnelles)26

Plaque de plâtre30

Fibre de bois souple (structure des murs)34

Mousse phénolique45

Fibre de bois en flocons45

Ouate de cellulose (flocons)46

Enduit de plâtre47

Polyuréthane52

Verre53

XPS (polystyrène extrudé)67

Chanvre67

Laine de lin83

Béton massif83

Laine de roche85

Laine de mouton94

Béton armé96

Textile recyclé120

Laine de verre (base)120

PSE (polystyrène expansé)130

Acier inoxydable470

Acier1 400

Aluminium9 700

101001 00010 000100 000

IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)
Diffusivité a = λ / (ρ · c_p) : rapidité avec laquelle la chaleur se propage ; plus elle est faible, plus le matériau est lent à suivre la température.
Données indicatives. Conductivités : fabricants, ACERMI ou règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017). Masses volumiques et chaleurs spécifiques : règles Th-Bât ou fiches fabricants ; valeurs typiques pour les isolants biosourcés.

La diffusivité des matériaux est une caractéristique thermique qui ne peut en aucun cas se substituer à la qualité de l’isolation. Elle ne peut pas améliorer le confort d’hiver, mais peut permettre de réduire les températures intérieures estivales, dans la journée, en repoussant les pénétrations de chaleur après la tombée de la nuit, quand une ventilation forcée, naturelle ou artificielle, peut être mise en œuvre.

L’inertie par transmission n’a d’intérêt qu’en période estivale
lorsqu’elle est couplée à une forte ventilation nocturne

Exemples d’effusivité

L’effusivité E d’un matériau caractérise son aptitude à jouer un rôle d’éponge thermique, sa capacité à réguler l’ambiance intérieure. Exactement comme pour la diffusivité, elle n’est pratiquement jamais connue directement, mais elle peut également être déterminée par un calcul simple qui nécessite de connaître les mêmes caractéristiques thermiques. La formule de calcul E = √(λρC) = ρC√D donnent le résultat exprimé en J/m2•K•s1/2

Plus l’effusivité est élevée et plus le matériau est capable de réguler l’ambiance intérieure. Inversement, plus elle est faible et moins le matériau est en mesure d’assurer ce rôle. Comme pour la diffusivité, elle n’a d’intérêt que lorsqu’il existe de fortes variations de température et que le microclimat intérieur doit être stabilisé. Sa valeur, en elle-même, n’a pas grand intérêt, la différence avec les autres matériaux non plus, ce qui compte c’est son rapport avec les autres.

Alors que le béton à une effusivité seulement 17 fois plus faible que celle du cuivre, elle est environ 50 fois supérieure à celle des isolants habituels tels que la laine de verre, le polystyrène ou le polyuréthane. Cet écart est plus que suffisant pour avoir une importance capitale sur la qualité du confort estival sans climatisation.

Dans le cadre de maisons passives isolées par l’extérieur, le matériau qui est le plus efficace du point de vue inertie par absorption, celui qui a la plus forte effusivité, est le béton plein. C’est lui qui régule le mieux les variations des flux de chaleur qui peuvent rendre l’ambiance intérieure inconfortable.

Effusivité des matériaux de construction

Classement	Matériau	Conductivité W/mK	Masse volumique kg/m³	Chaleur spécifique J/kgK	Effusivité J/m²·K·s^1/2	Échelle b_n / b_LdV
1	Aluminium	230	2 700	880	23 000	* 810
2	Acier	50	7 800	450	13 000	* 460
3	Acier inoxydable	17	7 900	460	7 900	* 270
4	Béton armé	2,3	2 400	1 000	2 300	* 82
5	Béton massif	2	2 400	1 000	2 200	* 76
6	Verre	1	2 500	750	1 400	* 48
7	Enduit de plâtre	0,52	1 100	1 000	760	* 26
8	Plaque de plâtre	0,25	825	1 000	450	* 16
8	Bois chêne	0,18	700	1 600	450	* 16
9	Panneau OSB	0,13	650	1 700	380	* 13
10	Bois sapin, épicéa	0,11	450	1 600	280	* 9,8
11	Béton cellulaire (bloc isolant)	0,09	350	1 000	180	* 6,2
12	Paille (règles professionnelles)	0,052	100	2 000	100	* 3,6
12	Fibre de bois ITE (panneau rigide)	0,043	110	2 100	100	* 3,6
13	Liège expansé	0,04	120	1 560	87	* 3
14	Fibre de bois souple (structure des murs)	0,036	50	2 100	61	* 2,1
15	Ouate de cellulose (flocons)	0,039	45	1 900	58	* 2
16	Fibre de bois en flocons	0,038	40	2 100	56	* 2
17	Chanvre	0,04	35	1 700	49	* 1,7
18	Laine de lin	0,04	30	1 600	44	* 1,5
19	XPS (polystyrène extrudé)	0,034	35	1 450	42	* 1,4
20	Laine de mouton	0,04	25	1 700	41	* 1,4
21	Laine de roche	0,035	40	1 030	38	* 1,3
22	Textile recyclé	0,039	25	1 300	36	* 1,2
23	PSE (polystyrène expansé)	0,038	20	1 450	33	* 1,2
23	Mousse phénolique	0,022	35	1 400	33	* 1,2
24	Polyuréthane	0,022	30	1 400	30	* 1,1
25	Laine de verre(Base de comparaison)	0,032	25	1 030	29	1

Effusivité b = √(λ · ρ · c_p) : sensation de chaud ou de froid au toucher ; plus elle est élevée, plus le matériau paraît froid.
Données indicatives. Conductivités : fabricants, ACERMI ou règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017). Masses volumiques et chaleurs spécifiques : règles Th-Bât ou fiches fabricants ; valeurs typiques pour les isolants biosourcés. Échelle par rapport à la laine de verre : « * n » = n fois supérieure, « / n » = n fois inférieure.
IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)

Graphique : effusivité des matériaux

Effusivité thermique b en J/m²·K·s^1/2, échelle logarithmique

Aluminium23 000

Acier13 000

Acier inoxydable7 900

Béton armé2 300

Béton massif2 200

Verre1 400

Enduit de plâtre760

Plaque de plâtre450

Bois chêne450

Panneau OSB380

Bois sapin, épicéa280

Béton cellulaire (bloc isolant)180

Paille (règles professionnelles)100

Fibre de bois ITE (panneau rigide)100

Liège expansé87

Fibre de bois souple (structure des murs)61

Ouate de cellulose (flocons)58

Fibre de bois en flocons56

Chanvre49

Laine de lin44

XPS (polystyrène extrudé)42

Laine de mouton41

Laine de roche38

Textile recyclé36

PSE (polystyrène expansé)33

Mousse phénolique33

Polyuréthane30

Laine de verre (base)29

101001 00010 000100 000

IsolantsMatériaux de structureBase de comparaison (laine de verre)
Effusivité b = √(λ · ρ · c_p) : sensation de chaud ou de froid au toucher ; plus elle est élevée, plus le matériau paraît froid.
Données indicatives. Conductivités : fabricants, ACERMI ou règles Th-Bât (fascicule Matériaux, CSTB, 2017). Masses volumiques et chaleurs spécifiques : règles Th-Bât ou fiches fabricants ; valeurs typiques pour les isolants biosourcés.

L’effusivité des matériaux est une caractéristique thermique qui ne peut en aucun cas se substituer à la qualité de l’isolation. Elle ne peut pas améliorer le confort d’hiver, mais peut permettre de réduire les températures intérieures estivales, dans la journée, en absorbant les afflux de chaleur intempestifs et, inversement, elle peut réduire les baisses de température nocturne, en relâchant la chaleur emmagasinée dans la journée. Pendant cette période, adossée à une ventilation forcée, naturelle ou artificielle, elle peut largement contribuer à assurer le confort sans climatisation.

L’inertie par absorption n’a d’intérêt qu’en période estivale
hors période de canicule
lorsqu’elle est couplée à une forte ventilation nocturne

Un document de comparaison

Les tableaux ci-dessus sont regroupés dans un document intitulé « Base de comparaison - Caractéristiques thermiques - Conductivité - Diffusivité - Effusivité ». Les données précisées sur ce document n’ont qu’une valeur indicative approximative. Non utilisables pour des calculs thermiques, elles sont uniquement destinées à des comparaisons avec d’autres matériaux.

Bases de comparaisons

Caractéristiques thermiques

Conductivité

Diffusivité

Effusivité

Les données précisées sur ce document n’ont qu’une valeur indicative approximative. Non utilisables pour des calculs thermiques, elles sont uniquement destinées à des comparaisons entre matériaux.

Feuille de calcul pour comparaison

Si vous désirez utiliser un matériau particulier, ou du moins savoir ce qu’il vaut, la seule solution est de comparer ses caractéristiques avec celles précisées dans les tableaux ci-dessus. Si vous ne connaissez pas sa diffusivité et son effusivité, vous pouvez les calculer avec le tableau Excel « Calcul Diffusivité et Effusivité » disponible sur le site, mais, dans ce cas, vous devrez connaître sa conductivité, sa masse volumique et sa chaleur spécifique.

Le résultat pour une fibre de bois spécifique est celui-ci après qui a été repris dans les tableaux comparatifs :

Calcul de la diffusivité & de l'effusivité

Les résultats obtenus par le Calcul Diffusivité et Effusivité ne sont donnés qu’à titre informatif, dans l’unique but de les comparer avec des données connues. Ils dépendent, en grande partie, de la réalité des caractéristiques fournies par le fabricant qui devront, dans la mesure du possible, être attestées par des certificats de qualité. La responsabilité de ce site, ou de son auteur, ne pourra être engagée pour cet usage comme pour tout autre, et en particulier, pour toute utilisation dans un quelconque procédé de calcul thermique.

En résumé :

Un matériau est considéré isolant s'il a une conductivité inférieure à 0,05W/mK
Les isolants classiques ont des conductivités de l’ordre de 0,04W/mK
Les meilleurs isolants ont des conductivités de l’ordre de 0,022W/mK
La fibre de bois est un des matériaux les moins diffusifs
La fibre de bois est un des matériaux qui présente la plus grande efficacité d’inertie par transmission
La béton est un des matériaux les plus effusifs
Le béton est un des matériaux qui présente la plus grande efficacité d’inertie par absorption

Thème 6 - La thermique

Les thèmes des concepts