Qu’est-ce que l’isolation des bâtiments – Isolation résidentielle – Définition

Isolation de bâtiment – Isolation de maison

Afin de minimiser les pertes de chaleur dans l’industrie et dans la construction de bâtiments, l’ isolation thermique est largement utilisée. L’isolation thermique a pour objectif de réduire le coefficient de transfert thermique global en ajoutant des matériaux à faible conductivité thermique. L’isolation thermique des bâtiments est un facteur important pour le confort thermique de ses occupants. L’isolation thermique réduit les pertes thermiques indésirables et réduit également les gains thermiques indésirables. Par conséquent, l’ isolation thermique peut réduire les besoins en énergie des systèmes de chauffage et de refroidissement. Il faut l’ajouter, il n’y a pas de matériau qui puisse complètement empêcher les pertes de chaleur, les pertes de chaleur ne peuvent être que minimisées.

De même que pour les vêtements, l’isolation thermique est basée sur des matériaux à faible conductivité thermique et sur sa géométrie (par exemple, les fenêtres à double vitrage). Les propriétés isolantes de ces matériaux proviennent des propriétés isolantes de l’air. De nombreux matériaux isolants (par exemple la laine) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . La géométrie de ces matériaux joue également un rôle crucial. Par exemple, augmenter la largeur de la couche d’air, par exemple en utilisant deux vitres de verre séparées par un intervalle d’air, réduira davantage la perte de chaleur que d’augmenter simplement l’épaisseur du verre, car la conductivité thermique de l’air est bien inférieure à celle du verre. .

Matériaux d’isolation

Comme il a été écrit, l’ isolation thermique est basée sur l’utilisation de substances à très basse conductivité thermique . Ces matériaux sont appelés matériaux isolants . Les matériaux d’isolation courants sont la laine, la fibre de verre, la laine de roche, le polystyrène, le polyuréthane et la plume d’oie, etc. Ces matériaux sont de très mauvais conducteur de la chaleur et sont donc de bons isolants thermiques.

Il faut ajouter que l’isolation thermique est principalement basée sur la très faible conductivité thermique des gaz. Les gaz possèdent des propriétés de conduction thermique médiocres comparées aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau isolant s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à une mousse ). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est l’ absence de convection . Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple le polystyrène) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . Dans tous les types d’isolation thermique, l’évacuation de l’air dans l’espace vide réduira encore la conductivité thermique globale de l’isolant.

L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces, ce qui entraîne une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.

Il convient de noter que les pertes de chaleur dues à des objets plus chauds se produisent selon trois mécanismes (individuellement ou en combinaison):

• Conduction thermique
• Convection de chaleur
• Radiation thermique

Jusqu’ici, nous n’avons pas discuté  du rayonnement thermique en  tant que mode de déperdition de  chaleur . Le transfert de chaleur  par rayonnement est médié par  le rayonnement électromagnétique  et ne nécessite donc aucun moyen de transfert de chaleur. En fait, le transfert d’énergie par rayonnement est le plus rapide (à la vitesse de la lumière) et il ne subit aucune atténuation dans le vide. Tout matériau dont la température est supérieure au  zéro absolu  dégage une certaine  énergie radiante . La plupart des  énergies  de ce type se trouvent dans la région  infrarouge du spectre électromagnétique bien que certains se trouvent dans la région visible. Afin de réduire ce type de transfert de chaleur, il convient d’utiliser des matériaux à faible émissivité (réflectivité élevée). Les isolants réfléchissants sont généralement composés de feuilles multicouches et parallèles de réflectivité élevée, espacées de manière à renvoyer le rayonnement thermique à sa source. L’  émissivité ε de la surface d’un matériau est son efficacité à émettre de l’énergie sous forme  de rayonnement thermique  et varie entre 0,0 et 1,0. En général, les métaux polis ont une très faible émissivité et sont donc largement utilisés pour renvoyer l’énergie radiante à sa source, comme dans le cas des blanchets de  premiers soins .

Types d’isolation – Catégorisation des matériaux d’isolation

Pour les matériaux d’isolation, trois catégories générales peuvent être définies. Ces catégories sont basées sur la composition chimique du matériau de base à partir duquel le matériau isolant est produit.

En outre, il existe une brève description de ces types de matériaux d’isolation.

Matériaux d’isolation inorganiques

Comme le montre la figure, les matériaux inorganiques peuvent être classés en conséquence:

• Matériaux fibreux
  • Laine de verre
  • Laine de roche
• Matériaux cellulaires
  • Silicate de calcium
  • Verre cellulaire

Matériaux d’isolation organique

Les matériaux d’isolation organique traités dans cette section sont tous dérivés d’une charge pétrochimique ou renouvelable (biosourcée). Presque tous les matériaux isolants pétrochimiques sont sous forme de polymères. Comme le montre la figure, tous les matériaux d’isolation pétrochimiques sont cellulaires. Un matériau est cellulaire lorsque la structure du matériau est constituée de pores ou de cellules. D’autre part, de nombreuses plantes contiennent des fibres pour leur résistance, donc presque tous les matériaux d’isolation biosourcés sont fibreux (à l’exception du liège expansé, qui est cellulaire).

Les matériaux d’isolation organiques peuvent être classés en conséquence:

• Matériaux pétrochimiques (dérivés du pétrole / charbon)
  • Polystyrène expansé (EPS)
  • Polystyrène extrudé (XPS)
  • Polyuréthane (PUR)
  • Mousse phénolique
  • Mousse de polyisocyanurate (PIR)
• Matériaux renouvelables (d’origine végétale / animale)
  • Cellulose
  • Liège
  • Woodfibre
  • Fibre de chanvre
  • Laine de lin
  • Laine de mouton
  • Isolation en coton

Exemple – Perte de chaleur à travers un mur

Les murs constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m (A = 30 m ² ). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L ₁ ) et il est fait de briques avec une conductivité thermique de k ₁ = 1,0 W / mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure sont de 22 ° C et -8 ° C et que les coefficients de transfert de chaleur par convection sur les côtés intérieur et extérieur sont h ₁ = 10 W / m ² K et h ₂ = 30 W / m ²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

1. Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
2. Supposons maintenant une isolation thermique sur le côté extérieur de ce mur. Utilisez une isolation en polystyrène expansé de 10 cm d’épaisseur (L ₂ ) avec une conductivité thermique de k ₂ = 0,03 W / mK et calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers cette paroi composite.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton du refroidissement :

Le coefficient global de transfert de chaleur est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

1. mur nu

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:

q = 3,53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105,9 W / m ²

La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:

q _perte = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177 W

2. mur composite avec isolation thermique

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi composite plane, aucune résistance de contact thermique et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m ² K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:

q = 0,276 [W / m ² K] x 30 [K] = 8,28 W / m ²

La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:

q _perte = q. A = 8,28 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 248 W

Comme on peut le voir, un ajout d’isolant thermique entraîne une diminution importante des pertes de chaleur. Il faut l’ajouter, un ajout de la prochaine couche d’isolant thermique ne provoque pas de telles économies. Cela peut être mieux vu de la méthode de résistance thermique, qui peut être utilisée pour calculer le transfert de chaleur à travers les murs composites . Le taux de transfert thermique constant entre deux surfaces est égal à la différence de température divisée par la résistance thermique totale entre ces deux surfaces.