Comment le choix des matériaux influe sur notre confort thermique ?

Aviez-vous déjà remarqué qu’à une même température, plusieurs matériaux ne donnent pas le même ressenti au toucher ? De ce constat, on peut ainsi influer sur la qualité de notre confort intérieur (voir extérieur) que ce soit pour l’isolation, les revêtements intérieurs ou même les fenêtres. Explications dans cet article …

Comme nous vous l’avons déjà expliqué dans notre dossier sur le confort thermique, le ressenti de confort va dépendre de nombreux critères. Parmi ceux-ci le choix des matériaux, pour le sol, les murs, le plafond, l’isolation, les menuiseries peut complètement changer la donne. Mais pour y parvenir, il faut bien comprendre les différents paramètres qui influent sur la qualité des matériaux.

Les transferts de chaleurs

Il existe quatre modes de transferts de chaleur principaux : le rayonnement thermique, la conductivité thermique, l’effusivité thermique et la diffusivité thermique.

Le rayonnement thermique des matériaux

Le rayonnement des matériaux est un phénomène physique qui se produit lorsque les particules chargées à l’intérieur d’un matériau émettent de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. C’est le type de rayonnement le plus courant, émis par tous les matériaux à une température supérieure à zéro absolu.

Ainsi, un matériau à haute émissivité diffusera la chaleur plus efficacement qu’un matériau à basse émissivité. Cela peut être un avantage dans les climats froids, car cela peut aider à garder la pièce chaude. Cependant, dans les climats chauds, cela peut être un inconvénient, car cela peut rendre la pièce plus chaude.

Prenons l’exemple du carrelage dans une salle de bains. Plus la température du carrelage est élevée, plus il émet de rayonnement thermique. Toutefois ce phénomène peut changer en fonction du type de carrelage.

Emissivité des carrelages selon le carrelage :

  • Carrelage en grès cérame: 0,92
  • Carrelage en terre cuite: 0,90
  • Carrelage en pierre naturelle: 0,85
  • Carrelage en marbre: 0,95

Voici quelques autres valeurs d’émissivité thermiques de revêtements :

  • Parquet en chêne: 0,85 – 0,90
  • Parquet en érable: 0,80 – 0,85
  • Parquet en pin: 0,75 – 0,80
  • Parquet en sapin: 0,70 – 0,75
  • Peinture minérale à base de chaux: 0,90 – 0,95
  • Peinture minérale à base de silicate: 0,85 – 0,90
  • Peinture minérale à base de ciment: 0,80 – 0,85

Si vous souhaitez réduire le rayonnement thermique d’un matériau de finition, vous pouvez :

  • Choisir une couleur claire ou avec une finition non polie.
  • Installer un isolant sous le matériau.
  • Utiliser un tapis ou un autre revêtement de sol sur le matériau.

Le mode de transfert de chaleur le plus important pour un carrelage dépend de l’application. Par exemple, si le carrelage est utilisé comme revêtement de sol, la conduction est le mode de transfert de chaleur le plus important. Si le carrelage est utilisé comme mur, le rayonnement thermique est le mode de transfert de chaleur le plus important.

Il est important de noter que le rayonnement thermique n’est qu’un des modes de transfert de chaleur. Les autres modes de transfert de chaleur sont la conduction et la convection…

La conduction thermique des matériaux

La conduction thermique est le transfert de chaleur par contact direct entre deux matériaux. La conduction thermique est due à l’agitation des atomes et des molécules dans un matériau. Lorsque les atomes et les molécules d’une partie du matériau sont plus chauds que ceux d’une autre partie, ils vibrent plus rapidement et transfèrent leur énergie aux atomes et aux molécules voisins. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que la chaleur soit uniformément répartie dans tout le matériau.

La conduction est mesurée par la conductivité thermique, qui est une propriété intrinsèque du matériau. La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur qui traverse une unité d’épaisseur d’un matériau en une unité de temps pour une différence de température unitaire.

La conduction thermique est un processus important pour le transfert de chaleur. La conductivité thermique est une propriété importante des matériaux qui détermine leur capacité à conduire la chaleur.

Ainsi, les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les isolants, sont utilisés pour empêcher la chaleur de se propager.

Quelques exemples de conductivité thermiques de matériaux du bâtiment :

Matériaux

Conductivité thermique
(W/mK)

Valeur R (m²K/W)*
Cuivre 390 0.00256
Aluminium 237 0.00422
Acier 54 0.01852
Béton 1.7 0.05882
Brique terre cuite pleine 0.84 0.14286
Bois (panneaux) 0.13 à 0.29 0.66667
Laine de verre standard 0.032 à 0.042 1
Polystyrène expansé 0.029 à 0.035 2.85714
Polyuréthane 0.024 à 0.040 3.70370
Ouate de cellulose 0.04 2.50000
Gramitherm 0.041 2.22222
Laine de bois 0.036 2.50000
Liège expansé 0.04 2.50000
Panneau de chanvre 0.04 2.50000
Plaque Fermacell 0.14 0.71429

 

* la résistance thermique (R) est le rapport de l’épaisseur du matériau (e) à sa conductivité thermique (λ): R = e / λ

Unités:

  • R est en mètre carré kelvin par watt (m²K/W)
  • e est en mètre (m)
  • λ est en watt par mètre kelvin (W/mK)

L’effusivité thermique d’un matériau

Leffusivité thermique d’un matériau est une propriété qui caractérise sa capacité à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. Elle est définie comme la racine carrée du produit de la conductivité thermique (λ), de la masse volumique (ρ) et de la capacité calorifique (c) du matériau : E = √(λ * ρ * c)

Plus l’effusivité thermique d’un matériau est élevée, plus il échange rapidement de la chaleur avec son environnement.

L’effusivité permet de déterminer la sensation de chaud ou de froid que procure un matériau au toucher. Un matériau à haute effusivité, comme le métal, absorbera rapidement la chaleur de la main, tandis qu’un matériau à faible effusivité, comme le bois, la diffusera plus lentement.

L’effusivité thermique de quelques matériaux du bâtiment :

Matériaux Effusivité thermique (J/m²K²s½)
Béton 2300
Brique terre cuite pleine 1331
Bois de 300 à 700
Laine de verre standard 24 à 66
Polystyrène expansé 32
Polyuréthane 41
Ouate de cellulose de 51 à 63
Gramitherm 51
Laine de bois 59
Liège expansé 96
Panneau de chanvre 46
Plaque Fermacell 699

 

La diffusivité des matériaux

La diffusivité thermique est une propriété physique qui caractérise la capacité d’un matériau à transférer la chaleur par conduction. Elle est définie comme le rapport de la conductivité thermique (λ) à la capacité thermique volumique (ρc) du matériau : a = λ / (ρc)

La diffusivité thermique est définie en mètre carré par seconde (m²/s).

Plus la diffusivité thermique d’un matériau est élevée, plus la chaleur se propage rapidement à travers ce matériau. A l’inverse, plus elle est basse, plus la protection thermique estivale est efficace.

Les isolants thermiques d’origine végétale ont généralement une faible diffusivité thermique, ce qui permet de ralentir le transfert de chaleur.

Quelques exemples de valeurs de diffusivité thermique d’un matériau :

Matériaux Diffusivité thermique (m²/s)
Béton 1.0 × 10^-6
Brique terre cuite 0.32 × 10^-6
Bois 0.14 × 10^-6
Laine de verre standard 0,83 × 10^-6
Polystyrène expansé 1.2 × 10^-6
Polyuréthane 0.7 × 10^-6
Ouate de cellulose 0.59 × 10^-6
Gramitherm 0.49 × 10^-6
Laine de bois 0.46 × 10^-6
Liège expansé 0.27 × 10^-6
Panneau de chanvre 0.76 × 10^-6
Plaque Fermacell 0.24 × 10^-6

Trop souvent, la qualité des matériaux est caractérisée par le seul critère de la conductivité (notamment pour les isolants), mais vous avez maintenant compris que leur rayonnement, leur effusivité et leur diffusivité vont avoir aussi un impact sur la qualité du confort.

On peut encore améliorer cette qualité, en s’intéressant encore à d’autres paramètres importants, tels que leur capacité à stocker la chaleur.

Les capacités de stockage thermique des matériaux

Quatre paramètres vont également influer sur les caractéristiques techniques des matériaux, quant à leur capacité de stockage des calories : la chaleur spécifique, l’inertie thermique, le déphasage et l’atténuation d’amplitude thermique.

La chaleur spécifique d’un matériau

La capacité massique d’un matériau, aussi appelée capacité thermique massique ou chaleur spécifique, est la propriété physique qui caractérise sa capacité à emmagasiner de l’énergie thermique. Elle est définie comme la quantité d’énergie calorifique qu’il faut fournir à une unité de masse de ce matériau pour augmenter sa température d’un kelvin (ou un degré Celsius).

Sa formule est : C = Q / (m * ΔT)

  • C est la capacité massique (J/kgK)
  • Q est la quantité d’énergie calorifique fournie (J)
  • m est la masse du matériau (kg)
  • ΔT est la variation de température (K)

L’unité: la capacité massique est exprimée en joules par kilogramme kelvin (J/kgK).

Chaque matériau a ainsi sa propre capacité massique. Elle peut toutefois varier légèrement en fonction de la température.

A Savoir : l’eau a une capacité massique élevée (environ 4180 J/kgK), ce qui signifie qu’elle peut stocker beaucoup d’énergie calorifique avant de changer de température. C’est pourquoi l’eau est utilisée comme fluide caloporteur dans de nombreux systèmes de chauffage et de climatisation.

Quelques exemples de capacité massique de matériaux du bâtiment :

Matériaux Chaleur spécifique (J/kgK)
Acier 460
Béton 800 à 1000
Brique terre cuite 1000
Bois 1600
Laine de verre standard 1030
Polystyrène expansé 1300 à 1450
Polyuréthane 1400
Ouate de cellulose 1900 à 2000
Gramitherm 1530
Laine de bois 1900 à 2100
Liège expansé 1850
Panneau de chanvre 1800
Plaque Fermacell 1250

 

L’inertie thermique des matériaux

Linertie thermique est la capacité d’un matériau à résister à un changement de température. Plus la capacité calorifique d’un matériau est grande, plus son inertie thermique est importante.

Sa Formule: I = ρ * c * d

  • I est l’inertie thermique (J/m²K²s½)
  • ρ est la masse volumique du matériau (kg/m³)
  • c est la capacité massique du matériau (J/kgK)
  • d est la diffusivité thermique du matériau (m²/s)

Unités: l’inertie thermique est exprimée en joules par mètre carré kelvin seconde puissance (J/m²K²s½).

Plus l’inertie thermique d’un matériau est élevée, plus il lui faudra de temps pour se réchauffer ou se refroidir.

Les valeurs d’inertie thermique de quelques matériaux du bâtiment :

Matériaux Inertie thermique (J/m²K²s½)
Acier 46000
Béton 2100000
Brique terre cuite 1200000
Bois 250000
Polystyrène expansé 35000
Polyuréthane 25000
Ouate de cellulose 280000
Gramitherm 380000
Fibre de bois 270000
Liège expansé 270000
Panneau de chanvre 280000
Plaque Fermacell 1000000

 

Le déphasage des matériaux

Le déphasage thermique d’un matériau est le temps que met la chaleur pour traverser ce matériau et se propager de l’autre côté. Il est lié à l’inertie thermique du matériau.

Imaginez un mur extérieur exposé au soleil. La face extérieure du mur se réchauffe rapidement, mais la chaleur met un certain temps à traverser le mur et à atteindre la face intérieure. Le déphasage thermique est le temps que met la chaleur pour traverser le mur.

Le déphasage thermique d’un matériau peut être calculé de différentes manières, mais la méthode la plus courante est d’utiliser la formule suivante :

Sa formule :  (e² * ρ * c) / (λ * π)

  • e est l’épaisseur du matériau (en mètres)
  • ρ est la masse volumique du matériau (en kilogrammes par mètre cube)
  • c est la capacité calorifique du matériau (en joules par kilogramme kelvin)
  • λ est la conductivité thermique du matériau (en watts par mètre kelvin)
  • π est la constante pi (environ 3,14)

L’unité du déphasage thermique est exprimée en heures.

Plus le déphasage thermique est élevé, plus le matériau est capable de retarder la transmission de la chaleur.

Quelques exemples de déphasage de matériaux du bâtiment :

Matériaux Déphasage thermique (heures)
pour 20 cm
Acier 1.2
Béton 4.6
Brique terre cuite 8
Bois 12
Laine de verre standard 5
Polystyrène expansé 4.2
Polyuréthane 5.7
Ouate de cellulose 6
Gramitherm 6.6
Laine de bois 6.8
Liège expansé 11.6
Panneau de chanvre 5.3
Plaque Fermacell 9.5

 

A savoir : plus la densité du matériau sera élevée, plus ses caractéristiques de stockage thermique seront meilleures. Les isolants biosourcés sont notamment connus pour ces qualités.

 

L’atténuation d’amplitude thermique

On appelle amplitude thermique le rapport entre les variations de températures extérieures et les variations de températures intérieures. Elle est liée à la diffusivité thermique du matériau. Plus la diffusivité thermique est faible, plus l’atténuation est importante.

La formule: A = exp(-x * sqrt(π / (α * t)))

  • A est l’atténuation d’amplitude
  • x est la distance à la surface du matériau (en mètres)
  • α est la diffusivité thermique du matériau (en mètres carrés par seconde)
  • t est le temps (en secondes)

L’Unité: l’atténuation d’amplitude est une valeur sans unité.

Par exemple, si l‘écart entre la température minimale et maximale extérieure est de 30 °C et l‘écart entre la température minimale et maximale intérieure est de 3°C, la valeur de l’atténuation d’amplitude thermique 1/TAV est de 10 (30/3°C): la variation de température, à travers la construction de l’extérieur vers l’intérieur, est réduite d’un dixième. On recherche généralement une atténuation d‘amplitude minimale de 10

Matériaux Diffusivité thermique (m²/s) Atténuation d’amplitude*
Acier 22,5 x 10^-6 0,04
Béton 0,12 x 10^-6 0,13
Brique terre cuite 0,30 x 10^-6 0,22
Bois 0,10 x 10^-6 0,12
Polystyrène expansé 0,75 x 10^-6 0,35
Polyuréthane 0,07 x 10^-6 0,09
Ouate de cellulose 0,10 x 10^-6 0,12
Gramitherm 0,11 x 10^-6 0,12
Laine de bois 0,10 x 10^-6 0,12
Liège expansé 0,08 x 10^-6 0,1
Panneau de chanvre 0,11 x 10^-6 0,12
Plaque Fermacell 0,25 x 10^-6 0,2

* pour une paroi de 20 cm d’épaisseur et une variation de température de 24 heures

Voici un comparatif entre une fibre de bois et une laine de verre.

 

Le choix de matériaux est décisif afin d‘optimiser votre confort thermique, et notamment pour une protection efficace contre la chaleur d’été. Ces paramètres vous aideront aussi à mieux choisir les matériaux capables soit de stocker la chaleur en hiver soit de ralentir leur pénétration en été.

Si ces caractéristiques thermiques de stockage sont incontournables pour le choix d’un matériau, il ne faut pas non plus négliger leurs capacités hydroscopiques pour obtenir également un bon confort thermique.

Les capacités hygrothermiques des matériaux

Un des derniers paramètres essentiels pour atteindre un bon confort thermique, c’est la capacité des matériaux à gérer l’humidité dans l’air. Il va avoir une influence primordiale sur notre ressenti de confort.

Pourquoi le taux d’humidité dans l’air est important ?

Le taux d’humidité dans l’air est important pour nos intérieurs pour les raisons que nous avons déjà évoqué dans cet article.

Pour rappel, un taux d’humidité adéquat (entre 40 et 60%) peut aider à prévenir :

  • les infections respiratoires (asthme et bronchite) et les allergies
  • l’assèchement de la peau, des yeux, du nez et de la gorge
  • la croissance des acariens et des moisissures
  • la croissance des moisissures et des bactéries
  • les fissures dans les peintures et les enduits
  • l’assèchement des meubles en bois et des instruments de musique
  • et cette sensation de lourdeur / moiteur due à un taux d’humidité excessif

Comment se détermine les caractéristiques hygrothermiques d’un matériau ?

Les capacités hygrothermiques des matériaux isolants se définissent par deux propriétés principales :

1. Sa capacité à stocker l’humidité :

Le coefficient de perméabilité à la vapeur d’eau (μ) indique la résistance du matériau au passage de la vapeur d’eau. Plus μ est élevé, plus le matériau est imperméable à la vapeur d’eau. Le matériau devra ne pas dépasser une humidité massique d’équilibre (ρ). C’est-à dire, la quantité d’eau maximale que le matériau peut absorber en équilibre avec l’environnement.

2. Sa capacité à évacuer l’humidité :

La résistance à la vapeur d’eau (R) indique la difficulté pour la vapeur d’eau de traverser le matériau. R est le produit de l’épaisseur du matériau par son coefficient de perméabilité à la vapeur d’eau.

Le facteur de résistance à la vapeur d’eau (Z) caractérise l’hygroscopicité du matériau. Z est le rapport entre la résistance à la vapeur d’eau du matériau et celle d’une couche d’air de même épaisseur.

Plusieurs facteurs influencent les capacités hygrothermiques des matériaux :

  • la nature du matériau (poreux, dense, etc.)
  • la composition du matériau (fibres, minéraux, etc.)
  • la teneur en eau du matériau
  • l’épaisseur du matériau

En jouant sur les capacités hygrothermiques des matériaux, on régule l’humidité ambiante et on réduit également les besoins en chauffage et climatisation !

 

A savoir : tous les matériaux d’origine végétale (et certains recyclés, comme la ouate de cellulose et la laine de coton) ont cette capacité de régulation hygrothermique de l’air intérieur.

Il est donc important de maintenir un taux d’humidité adéquat dans l’air pour nos intérieurs afin de garantir notre confort, notre santé et la protection de nos biens.

Nos conseils pour bien choisir ses matériaux :

Que ce soit pour un revêtement de finition, un isolant, des menuiseries, le choix du type de matériau va avoir un impact sur votre ressenti de confort.

Par exemples :

  • Si vous cherchez des isolants capables d’apporter de bonnes capacités thermiques, avec de l’inertie, un bonne conductivité, une faible diffusivité, une bonne gestion de l’hygrométrie, préférez les matériaux d’origine biosourcée à bonne densité.
  • Si vous voulez éviter les revêtements qui diffuse trop le froid, préférez des matériaux comme le bois (parquet, lambris), les enduits correcteurs thermiques, les enduits de finition ou
  • Si vous cherchez des menuiseries avec un cadre qui offre de bonnes performances thermiques, préférez aussi des fenêtres ou baie en bois.

Enfin, nous ne saurions mieux vous conseiller de :

  • Définir vos besoins et ses priorités en fonction des pièces, de leur emplacement et des contraintes thermiques, acoustiques et environnementales.
  • Vous renseigner sur les caractéristiques des matériaux de transfert de chaleur, de capacité de stockage, de régulation hygrothermique.
  • Calculer vos performances souhaitées en prenant en compte le complexe de matériaux utilisés, et ainsi réduire la quantité de matériaux à acheter.
  • Consulter un professionnel : les membres du réseau Nature & Développement connaissent bien les caractéristiques des matériaux en magasin et peuvent donc vous aider à choisir les matériaux adaptés à votre projet.

Au-delà de ces aspects thermiques, le choix du matériau va aussi avoir un impact sur les qualités acoustiques de la pièce, sur le niveau de la lumière naturelle dans l’habitat (en fonction des couleurs), sur la qualité de l’air intérieur, et évidemment sur la durabilité ou la recyclabilité de ces dits matériaux.

En conclusion, le choix des matériaux est un élément important pour un habitat confortable et durable. Il est important de prendre en compte les différents aspects du confort et de choisir des matériaux adaptés à ses besoins et à ses priorités.

 

N’hésitez pas à faire appel aux professionnels du réseau Nature & Développement pour bien choisir le complexe de matériaux pour votre isolation, les revêtements muraux ou de sol et de vos menuiseries. Ils auront forcément une solution adaptée à vos besoins.

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