L isolation thermique des bâtiments: Pourquoi et Comment? Thierry Duforestel EDF R&D Octobre 2010

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1 L isolation thermique des bâtiments: Pourquoi et Comment? Thierry Duforestel EDF R&D Octobre 2010

2 Construire un bâtiment pour se fabriquer un «intérieur» années Évolutions Réactions <50 Un abri Chauffage central 73 Crise énergétique 93 Préoccupation économies d énergies >93 Préoccupation environnementale 2 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

3 Pourquoi isoler? Pour limiter sa facture de chauffage : 200 kwh/m 2.an 50 kwh/m 2.an MAIS AUSSI : Pour conserver la chaleur et la fraîcheur à l intérieur. Pour améliorer le confort intérieur grâce à des parois plus chaudes. 3 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

4 Comment isoler? En utilisant le pouvoir isolant de l air immobile. dans les systèmes de vitrage. dans les matériaux isolants. 4 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

5 Quels sont les matériaux qui permettent d isoler? Ceux qui enferment de l air immobile. 5 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

6 Quel est le coût de l isolation? L isolation coûte et rapporte. Certains travaux d isolation sont si vite amortis qu on peut les considérer comme des gains. 6 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

7 Comment détecter un manque d isolation? A priori, c est difficile, mais certains signes ne trompent pas. Alors vous pouvez suspecter un manque ou un défaut d isolation. 7 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

8 Traitement d un cas pratique. Une maison individuelle neuve d aujourd hui. 8 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

9 Évolution du neuf. Energy loss (kwh/m2.year) Year of construction single familly gas single familly electricity multi familly gas multi familly electricity En construction neuve, d importants progrès : Division par 10 des pertes par les parois opaques. Des fenêtres dont les vitrages sont plus isolants que les cadres. Il reste deux gros gisements de performance : La correction des ponts thermiques. L amélioration de l étanchéité à l air des parois. Pour les bâtiments existants (plus de 99% du parc) tout reste à faire, mais ça ne se fera pas sans : de nouveaux métiers, de nouvelles méthodes, de nouveaux produits. 9 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

10 L isolation du futur? Super-isolation pour le neuf. Isolation des bâtiments existants. 350 Energy loss (kwh/m2.year) La performance gagnée par le neuf en 2 ans est gagnée par le parc en 30 ans Year of construction 10 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009 single familly gas single familly electricity multi familly gas multi familly electricity A ce rythme là, il faudra plus de 4 siècles pour amener le parc de bâtiments au niveau de performance des bâtiments neufs actuels. Sans politique d amélioration de la performance thermique de l enveloppe des bâtiments existants, les objectifs de 2050 (KYOTO) sont inatteignables.

11 Compter sur l amélioration du neuf n a pas de sens. TWh/an years Ne w decreasing Ne w consum ing "zero" Ne w decreasing + medium rate retrofitting Ne w decreasing + high rate retrofitting Source :Total energy consumption of french dwellings (space heating - main houses) from 2000 to 2050 with 4 scenarios (JP Traisnel - CLIP ) La rénovation énergétique des bâtiments est incontournable Document name - Chapter - 00 Mois 2009

12 Apporter l efficacité énergétique dans les bâtiments existants. Limiter les déperditions. Isolation de l enveloppe Ventilation Toitures Murs Par l intérieur Par l extérieur Planchers Parois vitrées Utiliser des systèmes énergétiques efficaces. Rendement des systèmes. Génération, Distribution, Émission. Gestion énergétique. Gestion temporelle et spatiale. Intégrer les EnR. Une question qui dépasse la vision «gisements». Système énergétique, capacité de stockage dans les bâtiments. Une possible alternative à l isolation, mais ce n est encore qu un concept Document name - Chapter - 00 Mois 2009

13 L isolation thermique par l intérieur. En France, c est «LA» solution de référence en matière d isolation, mais en construction neuve. Pour l existant, le bilan est mitigé : Pas trop cher, mais : Travaux très intrusifs et longs. Décoration, électricité, plomberie à refaire après travaux. Pertes de surface habitable. L emploi de solutions peu performantes est fréquent. Isolants classiques en faible épaisseur. IMR (plus de 20 millions de m 2 par an) Document name - Chapter - 00 Mois 2009

14 1 à 2 cm d IMR peuvent ils isoler autant que 20 cm d un isolant classique? Clairement, non. L isolant classique, c est de l air immobilisé dans une matrice solide. Tous les isolants thermiques suivent une loi conductivité fonction de la densité. Aucun matériau non étanche et non nanostructuré ne peut être plus isolant que l air immobile (λ=0.025 W/m.K). conductivité thermique (mw/m.k) Laine de verre max RT2000 FRACTILE Laine de verre meilleure existante RT 2000 Mais le marché des IMR montre le besoin d un matériau mince et efficace en ITI, donc d un matériau de faible conductivité Rayonnement masse volumique (kg/m3) Conduction solide 14 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

15 Un point sur les transferts radiatifs. Les isolants vus comme des matériaux semi-transparents dans l IR. La performance thermique des vitrages peu émissifs Document name - Chapter - 00 Mois 2009

16 Des matériaux de faible conductivité : augmenter les gains énergétiques par l isolation. 3,50 3,00 Conductivité : 0,004 W/m.K 2,50 2,00 Conductivité : 0,010 W/m.K 1,50 Conductivité : 0,040 1,00 0,50 0,00 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Epaisseur d'isolant (m) Le gain énergétique est presque indépendant de l épaisseur Document name - Chapter - 00 Mois 2009

17 Des matériaux de faible conductivité : déplacer le marché de l isolation. 3,00 Gisement accessible : 1 cm avec λ = 4 mw/m.k 2,50 Conductivité : 0,004 W/m.K 2,00 1,5 0 1,0 0 0,50 Conductivité : 0,010 W/m.K Conductivité : 0,040 W/m.K Gisement accessible : 4 cm avec λ = 40 mw/m.k 0,00 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Epaisseur (m) Le gisement accessible (gain x surface) est beaucoup plus important en faible épaisseur. Le gain de performance par l épaisseur est contre-productif en terme de gisement. Pour ne pas renoncer à la performance, il faut des super-isolants Document name - Chapter - 00 Mois 2009

18 Les principales voies de progrès pour faire des matériaux de faible conductivité. Limiter le rayonnement (PSE gris). 30 mw/m.k Utiliser un autre gaz que l air (gaz rares notamment). 20 mw/m.k conductivité thermique (mw/m.k) Laine de verre max RT2000 FRACTILE Laine de verre meilleure existante RT 2000 Utiliser un matériau nanostructuré. (12 à 20 mw/m.k) Effet de striction sur la structure solide. Effet Knüdsen sur la phase gazeuse. Les matériaux nanostructurés à pression atmosphérique sont plus isolants que l air masse volumique (kg/m3) Seule rupture : Établir un vide partiel dans une structure poreuse. 5 mw/m.k Un matériau de cœur et une étanchéité. Mais ce sont des matériaux qui réclament des analyses très particulières Document name - Chapter - 00 Mois 2009

19 Comment «vieillissent» les Panneaux Isolants sous Vide (PIV)? Adsorption de la vapeur d eau Pénétration de gaz dans l isolant Teneur en eau kg/kg Silice pyrogénée 1 CSTB Silice pyrogénée 2 CSTB Silice pyrogénée NRC Silice pyrogénée ZAE Humidité relative C o n d u ctivité th erm iq ue en m W/( m.k) teneur en eau en % Augmentation de la conductivité thermique Augmentation de la pression interne λ = λ + λ + λ + λ tot sol g rad memb Conductivité thermique en mw/(m.k) Figure 2 : Evolution de la conductivité thermique en fonction de la pression à 23 C Pression en hpa 19 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

20 Le comportement hygrothermique des complexes barrières. Pour ne rien simplifier, le comportement des complexes barrières évolue dans le temps. Aucun mécanisme n est réellement identifié mais : Les perméabilités augmentent avec la température. Elles augmentent aussi avec l humidité. Le comportement en fonction de la pression totale reste dans l ombre Document name - Chapter - 00 Mois 2009

21 Le dilemme. Ponts thermiques dus à l étanchéité. Dilemme entre étanchéité (durabilité) et performance thermique. Les films les plus étanches génèrent les ponts thermiques les plus importants. Effets de drainage et de pont thermique. Il faut des films très étanches, mais générant peu de ponts thermiques. Il faut pouvoir évaluer leur comportement dans le temps (50 ans) Document name - Chapter - 00 Mois 2009

22 L intérêt des matériaux nanostructurés. Tout matériau poreux isolant porté à une pression de 0,1 mbar présente une conductivité thermique de l ordre de 5 mw/m.k. Mais les comportements sont différents suivant la nature de la porosité. Les matériaux nanostructurés laissent des marges de manœuvre. L étanchéité extrême n est pas nécessaire Document name - Chapter - 00 Mois 2009

23 Les investigations sur les PIV. Tous les efforts sont orientés par la recherche d un PIV idéal. Le matériau de cœur, Le complexe barrière, Qui vont permettre une performance importante sur la durée de vie du composant Document name - Chapter - 00 Mois 2009

24 Performance et durée de vie du PIV. Dilemme entre performance et durabilité. Il semble aujourd hui que la meilleure performance «moyenne» sera obtenue pour des films aluminisés. Connaître leur comportement de long terme est donc indispensable. Film laminé 1 à 3 films métalisés Al (20 nm) Film extérieur PET (12 25 µm) Film d'alum inium (5 à 10 µm ) Film métallisé Couche interne de scellage (PEHD (20 à 100 µm) 24 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

25 Ce qu il faut connaître. La quantité et la nature du gaz qui pénètre dans le PIV pendant sa durée de vie en œuvre. Quantité : Masse de gaz qui traverse la barrière. Nature : Proportion d air sec et de vapeur d eau. En fonction de la taille des panneaux. Distinction entre le film et les soudures. Pour différentes conditions de sollicitation. Température, humidité relative. Soudure Ame en silice Complexe barrière Revêtement extérieur 25 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

26 Les données expérimentales disponibles. Essais à l échelle des panneaux. Types de films. Températures (<=50 C). Humidités relatives. Tailles de panneaux. Mesure des gains de masse et de pression. Essais à l échelle des films. Encore à un stade exploratoire. Mesures en gaz purs. Insérer photo banc d essai en dessous. Prise de poids (g) 1.2 Evolution des masses à 50 C - 90% HR Temps ( h ) 26 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

27 Que peut on en conclure? La bonne échelle (pour évaluer la durée de vie) est celle des panneaux. En mesurant les gains de masse et de pression on peut évaluer la quantité et la nature du gaz qui a pénétré dans le PIV. Mais les essais sont de courte durée. Comment étendre à la durée de vie du PIV? On n est même pas certain qu ils ont une véritable vertu comparative entre films. Il manque une loi de comportement, un modèle pour représenter les transferts Document name - Chapter - 00 Mois 2009

28 La modélisation des transferts de masse au travers des complexes barrières des PIV. Trois hypothèses de base. L essentiel du gain de masse est dû à l entrée d eau. L essentiel du gain de pression est dû à l entrée d air sec. Les perméabilités sont thermo-activées : E K = K( T 0 ) exp RT Le modèle le plus courant est découplé : perméation d air et de vapeur d eau pour un film homogène équivalent. Equation air : φair = K Equation vapeur d eau : Mais l expérience montre un flux d air qui augmente avec l humidité. Une tentative avec un modèle couplé de transfert d air et d humidité issu de la modélisation des milieux poreux. Equation air : φair = K Equation vapeur d eau : aa S φ air vap film Δp = K t vap S S filmδpt + K φ = K S vap va film av film Δp S Δp film t v Δpv + K vv S Sur le long terme, le modèle couplé prévoit un gain de masse qui diminue dans le temps. film Δp v 28 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

29 La modélisation des transferts de masse au travers des complexes barrières des PIV. Trois hypothèses de base. L essentiel du gain de masse est dû à l entrée d eau. L essentiel du gain de pression est dû à l entrée d air sec. E Les perméabilités sont thermo-activées : K K( T 0 ) exp Le modèle le plus courant est découplé : perméation d air et de vapeur d eau pour un film homogène équivalent. Equation air : φair = K air S Equation vapeur d eau : φ film vap Δpt = K vap Une tentative avec un modèle couplé de transfert d air et d humidité issu de la modélisation des milieux poreux. Equation air : φair = K aas filmδpt + K Equation vapeur d eau : φvap = KvaS S av film film S Δp Δp film = RT Sur le long terme, le modèle couplé prévoit un gain de masse qui diminue dans le temps. t v Δpv + K vv S film Δp v 29 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

30 Discussion sur la modélisation. Les tests disponibles permettent d identifier les paramètres pour tous les modèles. Les deux modèles (couplés et découplés) donnent des résultats très différents. Mais les essais disponibles sont trop courts pour déterminer la validité de long terme des différents modèles. La théorie (thermodynamique des processus irréversibles) milite pour un modèle couplé, formellement identique à celui qui a été mis en œuvre. Faute d un modèle indiscutable, il est impossible de garantir la performance de long terme des PIV, en dehors de conditions d exploitation où l on est sûr qu ils ne vieillissent pas (en pratique ITI) Document name - Chapter - 00 Mois 2009

31 Un projet de modélisation des transferts dans les complexes barrières des PIV. Volet expérimental. Différents types de films. Différentes dimensions de PIV. Différentes températures. Différentes humidités relatives. Différentes pressions. Mesure (très) régulière des gains de masse et de pression. Volet théorique. (Développement, identification) Recherche d un modèle physique adapté. Identification des paramètres du modèle. Vérification sur des séquences longues en sollicitations variables dans le temps. Hautes températures et humidités pour accélérer la prise de masse. Mais valeurs non constantes. L enjeu essentiel est de pouvoir offrir une solution PIV pour toutes las applications actuelles de l isolation Document name - Chapter - 00 Mois 2009

32 Conclusion La contrainte énergétique et environnementale va amener à la création de bâtiments neufs et à la réhabilitation de bâtiments existants qui vont tendre vers l autonomie énergétique. Des solutions d isolation adaptées sont en cours de développement. Le comportement thermique de ces bâtiments sera fortement influencé par les apports, notamment les apports externes. Les périodes où les apports dépasseront les besoins seront de plus en plus longues. Ces bâtiments seront naturellement «bioclimatiques». On peut alors se demander si une autre logique est possible. Faut-il isoler le bâtiment de son environnement ou au contraire le connecter à son environnement pour exploiter les ressources de son environnement? Ce sera le sujet de la prochaine séance Document name - Chapter - 00 Mois 2009