Les laines minérales

Le coin des scientifiques

Nous vous présentons quelques notions indispensables pour comprendre les phénomènes physiques.

La masse volumique

La masse volumique (notée ρ) : c’est le quotient de la masse apparente d’un matériau (kg) à l’état sec conventionnel, par son volume (m3). Elle s’exprime en kg/m3.

Les laines minérales ont des masses volumiques comprises entre 10 et 200 kg/m3, selon les applications auxquelles elles sont destinées.

La masse surfacique

La masse surfacique : c’est la masse d’un produit pour une surface d’un mètre-carré. Elle s’exprime en kg/m2. Les masses surfaciques peuvent s’additionner.

La conductivité thermique

La conductivité thermique (notée λ) : elle représente le flux de chaleur, traversant une unité de surface sur un mètre d’épaisseur de matériau, soumis à une différence de température d’un degré entre ses 2 faces. Elle s’exprime en Watt par mètre par Kelvin (W/m.K).

Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau est conducteur de chaleur. Plus elle est faible, plus le produit est isolant.

Dans le cas des laines minérales, cette conductivité dépend notamment de la masse volumique du produit (qui modifie les échanges par conduction, convection et rayonnement).

La résistance thermique

La résistance thermique (notée R) : c’est l’inverse du flux thermique par unité de surface d’une paroi ou d’un produit. Elle s’exprime en m2.Kelvin par Watt (m2.K/W).

Elle dépend de l’épaisseur du produit et de la conductivité thermique de ce produit : R = e / λ.

Elle est donc d'autant plus grande que l’épaisseur d’isolant est importante ou que sa conductivité thermique est faible (ou les 2 combinées).

Les résistances thermiques s’additionnent pour former la résistance thermique d’une paroi (en ajoutant également les résistances superficielles des deux faces).

Les laines minérales proposent des résistances thermiques pouvant aller jusqu’ à R = 10 m2.K/W.

Le coefficient de transmission thermique surfacique

Le coefficient de transmission thermique surfacique (noté U) : c’est le flux thermique, en régime stationnaire par unité de surface de la paroi, pour une différence de température d’un degré K, entre les milieux situés de part et d’autre de la paroi. U s’exprime en W/m².K.

On parle de Uc en partie courante de paroi (sans les ponts thermiques intégrés).

On parle de Up = Uc majoré pour prendre en compte les éventuels ponts thermiques intégrés dans la paroi.

La capacité thermique massique

La capacité thermique massique (notée Cp) : c’est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter d’un degré, la température d’un kilogramme de matériau. Elle traduit aussi la capacité à emmagasiner la chaleur par rapport à la masse du produit. Elle est appelée aussi chaleur massique ou chaleur spécifique. Elle s’exprime en Joule par kg par Kelvin (J/kg.K).

La capacité thermique massique des laines minérales (de verre ou de roche) est de 1 030 J/kg.K.

La capacité thermique volumique

La capacité thermique volumique ou chaleur volumique  d'un matériau est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C, la température d’un mètre cube de matériau. Elle traduit aussi la capacité à emmagasiner la chaleur par rapport à son volume. Elle s'exprime en Joule par mètre cube par Kelvin (J/m3.K).

C’est le produit de la masse volumique (ρ) d'un matériau et de sa capacité thermique massique (Cp). Ce n’est donc pas une valeur constante puisqu’elle dépend de la masse volumique du produit contrairement à la capacité thermique massique.

Ainsi les laines minérales ont des capacités thermiques volumiques allant de 10 300 à 206 000 J/m3.K selon leurs masses volumiques.

Il existe aussi la capacité thermique surfacique (exprimée en J/m².K). Les capacités surfaciques de chaque couche d’une paroi peuvent s’additionner.

La diffusivité thermique

La diffusivité thermique (notée D) : c’est la vitesse à laquelle la chaleur se diffuse dans un matériau. Elle s’exprime en m2/s.

Elle se calcule grâce à la formule suivante : D = λ / ρ.Cp.

Pour une laine de verre de 20 kg/m3, sa diffusivité est de 1,69 10-6 m2/s.

Pour une laine de roche de 40 kg/m3, sa diffusivité est de 0,85 10-6 m2/s.

L'effusivité thermique

L'effusivité thermique (notée E) : c’est la capacité d’un matériau à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. Elle s’exprime en J/M.m2.s1/2.

Sa formule de calcul est la suivante : .

Ne pas confondre l'effusivité thermique avec la diffusivité thermique. Les deux valeurs sont évidemment liées car on peut aussi écrire la formule de l’effusivité de cette façon : .

Toutes deux sont les grandeurs essentielles pour quantifier l'inertie thermique.

À la différence de la diffusivité thermique qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe d’énergie sans se réchauffer notablement.

Déphasage dans une paroi

C’est la durée de passage d’une onde de chaleur à travers la paroi, entre le moment de son absorption sur une face de la paroi et sa restitution sur la face opposée de la paroi. Il s’exprime en heure (h).

Il se calcule suivant la NF EN ISO 13786.

La variation de température du côté intérieur de la paroi surviendra avec un certain décalage dans le temps (déphasage). Le déphasage n’a pas d’influence sur la température en tant que telle. C’est l’isolation qui apporte l’atténuation de la température maximale observée à l’intérieur. Plus la paroi est isolée plus la température maximale observée à l'intérieur sera plus faible.

Calcul de déphasage : sur une paroi constituée uniquement d’un isolant et d’un parement de finition (type isolation de combles), l’augmentation de la masse volumique de l’isolant conduit à une augmentation du déphasage thermique.

Pour obtenir un déphasage de l’ordre de 10 heures sur une telle paroi, il faudrait mettre en œuvre des isolants qui ne sont pas utilisés pour cette application.

Mais surtout il ne faut pas oublier que dans un bâtiment, la masse apportée par l’isolation est très faible.

Les rapports de masse en présence pour une maison standard de 100 m² isolée :

  • En laine minérale : 550 kg (0,55 t)

(en toiture R= 6 m².K/W (240 mm λ = 0,040 W/m.K de l’ordre de 10 à 20 kg/m3)),

(en mur R= 3,15 m².K/W (100 mm λ = 0,032 W/m.K de l’ordre de 20 à 30 kg/m3)).

  • En laine de bois : 2 000 kg (2 t)

(En toiture et mur, mêmes résistances thermiques (masse volumique de l’ordre de 70 kg/m3 et λ = 0,040 W/m.K)).

Le plancher seul, en béton, pèse plus de 24 tonnes, soit un rapport de masse d’un facteur 10.

L’inertie thermique d’un bâtiment

L’inertie thermique d’un bâtiment : c’est sa capacité à emmagasiner puis à restituer la chaleur de matière diffuse. Plus l’inertie du bâtiment est forte, plus celui-ci se réchauffe et se refroidit lentement. L’inertie thermique permet d’obtenir un déphasage thermique, décalage dans le temps de la température intérieure, par rapport aux températures extérieures.

Pour un matériau, c’est sa propension à conserver sa température initiale lorsque qu’intervient une perturbation de son équilibre thermique. Plus les matériaux sont denses à Cp identique, plus ils sont inertes, c’est la raison pour laquelle on parle aussi de « masse thermique ».

Le temps caractéristique associé à l’inertie thermique dépend de deux paramètres épaisseur et diffusivité thermique puisqu’il est de l’ordre de e² /D.

 

 

 

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