La masse thermique désigne la capacité d’un matériau à absorber, stocker et restituer la chaleur, jouant un rôle crucial dans la régulation de la température des bâtiments.
Efficacité thermique de la masse thermique dans les bâtiments
La masse thermique, également connue sous le nom de capacité thermique, joue un rôle crucial dans la régulation de la température interne des bâtiments. Elle désigne la capacité d’un matériau à absorber, stocker et restituer la chaleur. Cette propriété est particulièrement importante dans les constructions écologiques et dans les climats où les variations de température entre le jour et la nuit sont importantes.
Principes de base
La masse thermique fonctionne selon les principes de la thermodynamique, en particulier le premier et le deuxième principe :
- Premier principe (Conservation de l’énergie) : L’énergie totale dans un système isolé reste constante. La masse thermique absorbe une partie de l’énergie calorifique lors du chauffage et la restitue lors du refroidissement.
- Deuxième principe (Entropie) : La chaleur se transfère naturellement des zones chaudes vers les zones froides, en cherchant à équilibrer les températures.
Matériaux de masse thermique courants
Les matériaux courants utilisés pour leur propriété de masse thermique incluent :
- Briques
- Béton
- Pierre
- Terre (torchis, adobe)
- Eau
Capacité calorifique et effusivité thermique
Deux propriétés physiques importantes déterminent l’efficacité de la masse thermique : la capacité calorifique et l’effusivité thermique.
- Capacité calorifique (C) : La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une unité de masse d’un matériau d’une unité de température. Elle est exprimée en joules par kilogramme par degré Celsius (J/kg°C).
- Effusivité thermique (e) : La capacité d’un matériau à échanger de la chaleur avec son environnement. Elle est définie par
e = \sqrt{λρc}, où λ est la conductivité thermique, ρ la densité, et c la capacité calorifique spécifique.
Applications dans la construction
Pour tirer pleinement parti de la masse thermique, les architectes et ingénieurs doivent tenir compte des éléments suivants :
- Orientation : Positionner les matériaux à haute masse thermique de manière à ce qu’ils reçoivent un ensoleillement abondant pendant la journée.
- Isolation : Utiliser une isolation adéquate pour minimiser les pertes de chaleur pendant les périodes froides et maintenir l’énergie stockée dans la masse thermique.
- Ventilation : Prévoir des systèmes de ventilation pour libérer l’excès de chaleur lorsqu’il fait trop chaud.
Exemple de calcul de l’efficacité thermique
Imaginons une pièce équipée d’un mur en béton de 30 cm d’épaisseur, d’une densité de 2400 kg/m3 et d’une capacité calorifique spécifique de 0,84 kJ/kg°C.
Capacité thermique totale (Q) pour 1 m2 de ce mur :
Q = épaisseur * densité * capacité calorifique * ΔT
Pour un ΔT (différence de température) de 10°C :
Q = 0,30 m * 2400 kg/m3 * 0,84 kJ/kg°C * 10°C
Q = 6048 kJ
Conclusion
La masse thermique est une composante essentielle des bâtiments écoénergétiques, permettant de réduire les besoins en chauffage et en climatisation en exploitant les variations naturelles de température. En choisissant les matériaux appropriés et en concevant judicieusement les bâtiments, il est possible d’optimiser l’efficacité thermique et de créer des espaces intérieurs confortables tout en minimisant l’empreinte écologique.
