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SOLUTIONS COMPLEXES

Les parois

Par définition, une maison Passive affiche une consommation énergétique minimale. Cette frugalité, ainsi que la qualité du confort de vie de ses habitants, résulte essentiellement du comportement des matériaux qui constituent son enveloppe.

Schématiquement, les parois assurent la solidité structurelle, la protection thermique d’hiver, le confort thermique d’été, l’évacuation des excédents d’humidité et des fonctions esthétiques.

Sauf celles à base de terre,  les parois des maisons passives seront donc composées de différentes couches successives. On y trouvera essentiellement un mur de structure, un complexe isolant, un film d’étanchéité à l’air, un enduit extérieur, une peinture intérieure et souvent un freine vapeur.

 

La structure

La prise en cause du risque sismique en Provence a conduit à une règlementation stricte. De facto, elle n’accepte pratiquement que les parois à base de béton ferraillé.  

Le béton armé affiche généralement :

  • Une conductivité 100 fois supérieure à celle d’un isolant de base ;
  • Une effusivité (sa capacité à jouer le rôle d’une éponge thermique) 20 à 40 fois supérieure à celle d’un isolant ;
  • Une diffusivité (rapidité du transfert de la chaleur en son sein) 15 fois plus forte que celle d’un isolant à base de bois mais à peine plus élevée qu’un polystyrène ;
  • Une très grande inertie thermique comparable à celles du marbre ou de la pierre ;
  • Une atténuation de l’onde thermique relativement faible ;
  • Une capillarité particulièrement importante ;
  • Une étanchéité à l’eau déplorable pour les parpaings mais relativement bonne pour le béton banché, quoique tous deux soient perméables à la vapeur d’eau.

Si on isole une paroi en béton par l’intérieur, on perd les qualités thermiques du béton (inertie, effusivité) et on augmente ses défauts (vulnérabilité à l’eau, diffusivité et conductivité).  

Donc, dès lors que la solidité de la construction sera confiée au béton armé, il faudra protéger la paroi extérieure de l’eau et confier l’isolation à d’autres matériaux.

Les constructions à ossature bois sont admises par la règlementation sismique. Elles présentent de nombreux avantages mais ne sont pas idéalement adaptables à tous les climats :

  • Intègrent aisément les complexes isolants ;
  • Gèrent bien l’humidité ;
  • Permettent une élévation rapide sur chantier (hors d’eau) ;
  • Permettent une préfabrication en atelier et donc une grande précision de mise en œuvre ;
  • Endurent facilement les deux ans d’évaporation des bétons ;
  • Supportent mal les vents desséchants (Mistral) ;
  • Deviennent onéreuses dès lors qu’elles incluent une masse thermique conséquente.

Les constructions à ossature bois sont parfaitement adaptées aux climats humides connaissant des hivers froids. Elles posent problème dans les régions à étés chauds (absence de masse thermique : elles ont tendance à conserver la chaleur à l’intérieur durant l’été). Elles vieillissent relativement vite dans les zones qui connaissent des périodes très sèches (le bois « joue »). On dit en Provence que « le Mistral fait vieillir la peau et les planches ».

 

Les isolants

Si l’on ne retenait que les tables de conductivité thermique, on pourrait considérer que tous les isolants se valent. Effectivement, à quelques exceptions près, tous les isolants affichent un λ de 0,04. Tout le monde s’accorde pour reconnaître que le polyuréthane est un peu plus efficace et que l’aérogel obtient un λ record.

Pour juger de cette conductivité, il y a lieu de considérer l’isolant mis en place y compris la conductivité apportée par son mode de fixation.

Le caractère cancérigène de l’amiante a été accepté par les pouvoirs publics en 1990 (20 ans après les USA !). Depuis, la laine de verre représente 53% du marché français, suivi par la laine de roche (15%).  Les laines minérales représentent donc presque 2/3 du marché. Ce qui, apparemment, répond à la question du meilleur rapport qualité/prix.  En réalité, paille, chutes de carton ou … déchets de branches de lavande affichent un bien meilleur rapport efficacité thermique/prix.

 Le troisième critère concerne la santé des habitants. On s’est aperçu que la laine de roche contenait des particules fines d’un diamètre inférieur à 2,5 microns et que celles-ci, respirées, passaient du poumon dans le sang, voire du sang dans la plèvre. La composition chimique des fibres minérales est neutre : elles n’ont aucun caractère cancérigène ni allergène. Le désastre du World Trade Center et le suivi médical des milliers de sauveteurs qui en avaient inhalé les laines minérales a démontré qu’il s’agit là d’agresseurs physiques. Le corps humain ne sait pas non plus en rejeter les fibres longues : elles restent indéfiniment dans les poumons, provoquant parfois des toux infernales. La plupart des autres isolants présentent des contraintes chimiques : les phénoliques dégagent des formaldéhydes, les isolants d‘origine animale sont protégés par des produits antimites connus pour leur nocivité, le sel de bore utilisé pour protéger les isolants végétaux est nocif s’il est ingéré (mortel à partir de 1200mg/jour). On notera toutefois que les émissions de ces agresseurs du corps humain sont réduites au minimum par les industriels. Elles ne sont nocives pour la santé que parce qu’elles s’accumulent dans des espaces clos (nos logements ou nos bureaux), émises à l’air libre, leur dilution les rend généralement beaucoup plus anecdotiques : elles n’affectent pas beaucoup plus notre métabolisme que le parfum des fleurs ou le vent balayant des fientes d’oiseau.

Voici le premier d’une série de dilemmes concernant les parois : il faut isoler les bâtiments tout en y préservant une atmosphère saine, or la grande majorité des isolants émet des agresseurs physiques ou chimiques pendant des années voire des dizaines d’années. La solution réside dans deux autres contraintes : la barrière à l’air et celle à l’humidité.

L’efficacité d’un freine-vapeur ou de la barrière à l’air repose sur des micro-perforations très précises. Elles laissent passer la vapeur d’eau mais pas l’eau liquide parce que, du fait des liaisons polaires, le diamètre de l’eau liquide est très supérieur à celui d’une molécule d’eau isolée.

 

Les agresseurs physiques ou chimiques émis par les isolants affichent tous des diamètres très supérieurs à celui de la molécule d’eau (sous sa forme liquide). Un freine-vapeur efficace ou une membrane étanche à l’air les bloquent comme un tamis. Ce qui suppose que ledit tamis soit absolument continu et se trouve entre l’isolant et l’habitant de la maison. En pratique la continuité absolue de la protection implique que son intégrité soit protégée par la structure du bâtiment d’un côté, par l’isolant de l’autre … et donc que l’isolation se trouve à l’extérieur du bâti.

 Dans tous les cas, ingérer un isolant est nocif pour la santé. Un freine-vapeur ou une membrane isolante à l’air ont aussi la propriété d’empêcher les molécules longues des agresseurs chimiques intérieurs émis par le mobilier, les parfums d’ambiance ou … d’être évacués vers l’extérieur à travers une paroi.

 Le quatrième critère de choix d’un isolant concerne les émissions de CO2 liés à sa production et à son transport. C’est un critère plus médiatisé que pertinent. S’il s’agit de considérer l’impact écologique d’un isolant, il vaut mieux considérer son énergie grise que ses émissions de CO2.  C’est d’ailleurs ce que prévoient les certifications en Qualité Environnementale.

Le transport est un critère sur lequel on a prise. Plus la provenance de l’isolant est proche, plus l’empreinte écologique du chantier sera légère.

L’origine des matières premières reste parfois opaque mais le trajet depuis le distributeur final correspond souvent au coût le plus important, et celui-ci ne dépend que du choix du maître d’ouvrage.

 Le cinquième critère concerne le déphasage.

Chaque matériau a une diffusivité thermique qui lui est propre. Elle représente la rapidité avec laquelle la chaleur  traverse ce matériau. L’idéal étant que la chaleur perçu par la façade extérieure d’une paroi atteigne sa face intérieure environ 12 heures plus tard, de façon à chauffer la nuit avec la chaleur du jour et, à l’inverse, à rafraichir l’intérieur le jour avec la fraîcheur de la nuit. L’utilisation des parois comme chauffage réversible s’oppose aux pertes thermiques dues aux ouvrants et à  la ventilation de l’habitation. Ce mécanisme n’utilise que les températures extérieures, de façon passive, il ne consomme aucune énergie fossile.

L’efficacité de ce rafraichissement du foyer le jour (et son réchauffement la nuit) sera d’autant plus grande si la région connaît de fortes amplitudes thermiques quotidiennes.  Le déphasage est donc fondamental dans l’arrière pays Provençal, beaucoup moins en Normandie. 

Puisque, par définition, R = e/λ (où e = épaisseur de l’isolant et λ= conductivité thermique), on obtient  e=λ.R. Pour atteindre une résistance thermique conforme à la RT 2012, il faut que le R des parois soit au moins égal à 4. Valeur qui sera de 5 en 2020. Puisque λ est proche de 0,04,  il faudra environ 20 cm d’isolant. La question devient très simple : quelle est la famille d’isolant qui permet de déphaser la chaleur d’une douzaine d’heures tout en mesurant environ 20 cm ? Il n’y a qu’une seule réponse : les isolants à base de bois ou de fibres animales. La liste est longue : liège, lin, chanvre, fibre de bois, laine de bois, ouate de cellulose, plume de canard, laine de mouton, … .

En effet un déphasage d’une douzaine d’heures avec les isolants phénoliques ou les laines minérales exigent des épaisseurs très supérieures. Il faudrait par exemple 35 cm de polyuréthane (soit un R supérieur à 9) ou 40 cm de polystyrène (soit un R de l’isolant de 10).

Puisque les nuits sont toujours plus fraiches que les jours, il est avantageux d’utiliser cette différence de température. Elle ne dépend que du choix du concepteur. Si, convaincu par un message publicitaire adroit, on donne la priorité au R, alors on investira dans des machines (chauffage, climatisation) et on consommera des énergies fossiles pour compenser l’énergie gratuite du climat que l’on n’aura pas utilisée.

 

Le sixième critère concerne les transferts d’humidité au sein des parois. C’est certainement le critère qui prendra le plus d’importance dans le futur tant il conditionne le confort de l’habitat et sa salubrité.

Il n’y a aucun intérêt à ce que l’eau liquide traverse aisément une paroi. Cela abîme la structure et compromet la durabilité du bâti. Du point de vue écologique comme du point de vue financier, des parois fragilisées en continu signifient que l’amortissement de la construction devrait se faire sur une durée beaucoup plus courte. Nombre de pavillons des années 1970 pâtissent de n’avoir confié l’étanchéité de leurs parois qu’à la qualité des enduits et leurs propriétaires constatent impuissants la dévalorisation de leur patrimoine.

L’air qui traverse une paroi a un défaut : il transporte les calories. C’est pourquoi toutes les normes actuelles, à commencer par celle du PassivHaus Institut, imposent des limites à la perméabilité à l’air des parois. Celle-ci est relativement facile à mesurer avec exactitude. Depuis 2012, elle est limitée à 0,6 m3 par m² de paroi, par heure pour les maisons individuelles. Valeur qui en 2020 devrait être ramenée à 0,6 fois le volume de la maison par heure, sous une pression de 50 Pa. C’est pourquoi les maisons neuves sont couvertes d’une paroi continue étanche à l’air. Les parois des maisons françaises neuves des années 2000  laissaient généralement passer plus de 5 m3/m² de paroi par heure, soit une consommation supplémentaire moyenne de 250 à 750 l d’équivalent mazout par an.

Etant donné les forts volumes de vapeur que nous émettons dans nos intérieurs, il est intéressant que la vapeur d’eau puisse traverser les parois, mais seulement dans un sens : de l’intérieur vers l’extérieur. L’humidité sur les parois du foyer lorsque le brouillard sévit à l’extérieur n’est jamais bienvenue. Ce qui pose à nouveau la question du choix de la famille d’isolant : les isolants non hygroscopiques (laines minérales) voient leur efficacité thermique plonger lorsque l’humidité les traverse en venant du côté chaud de la paroi.

Lorsque l’isolant se trouve à l’intérieur du bâti, on assiste souvent à un problème grave : la condensation de la vapeur d’eau en eau liquide au sein des parois. Pourquoi ?

  1. l’humidité issue du foyer pénètre la paroi, à 19°C, de l’autre côté celle-ci reçoit les températures négatives des nuits d’hiver. Pour peu que l’humidité relative de l’air extérieur soit relativement élevée, le point de rosée (c'est-à-dire l’endroit précis où la vapeur d’eau se condense en eau liquide) se trouvera à l’intérieur de la paroi.
  2. Lorsque la structure est en béton (très perméable aux calories), la température de la face intérieure du béton est à peine plus chaude que l’air extérieur, en hiver. On constate que le point de rosée se trouve presque toujours à la frontière entre l’isolant et le béton.  
  3. La solution pour éviter ce désordre consiste à assurer une continuité parfaite entre l’isolant et le béton (surtout pas de lame d’air interstitielle), à diminuer l’apport d’humidité en plaçant un frein-vapeur du côté intérieur et à redimensionner la ventilation des pièces humides.

La vapeur d’eau est un gaz. Elle se déplace donc en fonction des différences de pression de vapeur d’eau. Elle traverse successivement les différents composants de la paroi, sa vitesse de déplacement dépend donc aussi de la perméabilité de chacun de ces composants à la vapeur d’eau.

  • La première règle est empirique (et anglaise) : il faut concevoir une paroi telle que de l’intérieur vers l’extérieur, chacun des composants de la paroi soit de plus en plus perméable à la vapeur d’eau ET que le composant le plus externe de la paroi soit au moins 5 fois plus perméable à la vapeur d’eau que celui le plus interne de la paroi. Ce qui suppose souvent de commencer par un frein vapeur côté intérieur.
  • La deuxième règle est que le frein-vapeur se place toujours contre le côté chaud de l’isolant.
  • La troisième règle consiste à éviter les isolants qui supportent mal la vapeur d’eau. La conductivité des laines minérales augmente lorsqu’elles sont humidifiées et elles perdent de leur efficacité thermique à mesure que les vacuoles d’air qu’elles contiennent réagissent avec H2O. Les isolants phénoliques, eux, forment des barrières presque parfaitement étanches à la vapeur d’eau comme à l’eau.

Notons que lorsqu’une paroi est soumise au flux d’une humidité fréquente ou d’un ruissellement occasionnel, il y a lieu de préférer les isolants phénoliques (structurellement étanches) aux isolants perspirants.

Le septième et dernier critère de choix d’un isolant concerne son énergie grise, c'est-à-dire l’énergie nécessaire à son processus d’extraction-transformation-distribution-recyclage. Le bon sens ajoute à cette énergie grise celle qui a été utilisée pour sa présentation (découpe, emballage, …), sa protection (palettes, câbles, …) et sa mise en place (souffleuse électrique, cloutage, chevilles, visserie, colle, …).

L’impact du conditionnement n’est pas du tout négligeable : les fibres de bois ou de cellulose représentent 15 à 50 kWh/m3 en vrac alors que conditionnées en panneaux elles se situent entre 500 et 800 kWh/m3 selon la densité choisie. Les phénoliques à bulles ouvertes (polystyrène expansé) affichent 450 kWh/m3 alors que si les bulles d’air sont fermées (polystyrène extrudé) leur énergie grise atteint 850 kWh/m3. Quant aux laines minérales, selon leur conditionnement, leur énergie grise varie entre 150 à 1400 kWh/m3 pour les plus courantes. 

Les fournisseurs annonçant souvent des énergies grises différentes, voici quelques valeurs  approximatives : le verre cellulaire affiche 1 600 kWh/m3 ; le polyuréthane : 1 100 kWh/m3 ; les isolants phénoliques  se situent entre 400 et 850 kWh/m3 ; le liège varie entre 80 et 90kWh/m3 ; les fibres animales (plumes, laine) : environ 55 kWh/m3 ; le lin et le chanvre tournent autour de 35 kWh/m3.

Des tous les isolants, la plus forte énergie grise est celle des laines de roche à très haute densité : elles  atteignent 10 000 kWh/m3  (soit 1000 litres d’équivalent mazout d’énergie grise pour chaque mètre cube).

Ce septième critère relève de la prise de conscience des faibles réserves d’énergie fossiles qui restent sur la planète et de l’intention de contribuer le moins possible à leur diminution. Il est évident, à la lecture des chiffres ci-dessus, que les isolants à base de fibres de bois ou de fibres animales ont un impact plus faible que les isolants phénoliques ou les laines minérales.

Pour évaluer les risques de condensation dans les murs, les ingénieurs utilisaient il y a peu des méthodes de calcul statiques et considéraient que la condensation avait lieu exactement au moment où l’on passait la valeur d’Humidité Relative de 100% (Cf Norme NF EN ISO 13788).  Ces calculs s’appuyaient sur la valeur moyenne des températures mensuelles. Les choses ont évolué : les calculs utilisent maintenant des températures au pas horaire (8760 relevés de température par an).  

Ce progrès oublie de prendre en compte plusieurs facteurs :

  • Le cheminement de la vapeur à travers une paroi n’est pas instantané : sa vitesse de diffusion est généralement relativement lente. Les parois en ciment, du fait de la capillarité à travers ses alvéoles, accélèrent ce transfert de la vapeur d’eau. Cces alvéoles, comme celles des isolants ont une forme plus ou moins arrondie. Or la forme de la courbure influe sur la répartition de la pression au sein d’une alvéole. Il y a donc des phénomènes de condensation qui ont lieu même si la moyenne des HR de la paroi est encore inférieure à 100%.
  • Dans le Luberon (Vaucluse) la paroi Ouest des bâtisses est soumise à un vent sec (le Mistral) alors que la façade Est reçoit directement de l’air froid et humide. D’autant que le calcul reste la même quand bien même on aurait placé une pièce tampon en Est ou une haie de cyprès en Ouest.
  • Dans le cas d’une paroi (INT vers EXT) : OSB (μ =175) ; 20 cm ouate de cellulose ; Agepan DWD (μ=12), il n’y aura jamais de point de rosée puisque l’Agepan DWD est 15 fois plus perméable à la vapeur d’eau que le panneau d’OSB.  Mais si la ouate de cellulose était enfermée entre deux panneaux d’OSB : l’humidité serait permanente et la paroi ne pourrait s’assécher. Le logiciel calculera un point de condensation, année après année, comme si l’isolant conservait la conductivité thermique propre à son matériau. De fait, l’isolant aura perdu de son efficacité thermique et aura fini par se tasser laissant des zones non isolées.

La formation des architectes, depuis la guerre, les a incités à utiliser des formes et des masses rythmées. L’esthétique des bâtiments récents s’est appuyée sur les caractéristiques techniques du matériau qui règne depuis lors : le ciment. On a vu se multiplier des rentrants, des aplombs, des découpes originales … et l’utilisation de l’acier, de l’aluminium et du verre. Toutes choses qui compliquent la mise en œuvre des isolants. Mais, surtout, notre œil s’est tellement  habitué à voir des parois de 20 cm d’épaisseur que le public considère avec circonspection des murs de 52 voire 60 cm d’épaisseur.

C’est pourtant l’épaisseur qu’avaient les parois des bâtiments de nos anciens.

Les équilibres esthétiques des vieux mas pourraient se retrouver dans l’architecture de demain.

 

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