Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique

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1 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 1 sur 42

2 Remerciements Je remercie les intervenants et organisateurs de la formation RENEC 2013 et particulièrement Pierre Levy. Je souhaite également remercier l Agence Locale de l Energie de l agglomération lyonnaise qui m a permis de suivre cette formation et qui m a soutenu dans la réalisation de ce travail de fin de formation. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 2 sur 42

3 Sommaire I. Introduction Consommations énergétiques du bâti le contexte européen et français Le cas particulier du bâti ancien... 6 II. L humidité dans le bâtiment les sources Les transferts d humidité phénomène physique Les sources d apparition d eau dans le bâti Les transferts d humidité dans les parois Les matériaux isolants face aux transferts d humidité dans les parois III. L humidité dans le bâtiment les conséquences Risques et vigilances lors d une rénovation énergétique - théorie Exemples de sinistres dû à l humidité dans le bâti IV. Etude de cas calculs de l hygrothermie Choix de l échantillon : bâti ancien lyonnais murs en pierre Choix de l outil Cadre des calculs Mur en pierre calcaire (données de base) Calculs de l hygrothermie murs en pierre calcaire avec ITI Calculs de l hygrothermie murs en pierre calcaire avec ITE V. Conclusion VI. Bibliographie Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 3 sur 42

4 I. Introduction 1. Consommations énergétiques du bâti le contexte européen et français Dans les constructions neuves, les réglementations thermiques demandent une forte baisse des consommations énergétiques. Pour y arriver elles imposent un renforcement de l isolation thermique et de la performance énergétique des équipements techniques ainsi qu un suivi des consommations. Au contraire, le bâtiment existant avec environ 33,3 millions de logements, dont 18,6 millions construits avant et un renouvellement annuel d environ 1%, est très consommateur d énergie. Notamment sa consommation de chauffage (62% des consommations d énergie dans le secteur résidentiel) 2 qui reste le plus grand poste de consommation énergétique : Schéma n 1 : consommation en kwh/ logement par poste de consommation pour les immeubles collectifs (IC) et les maisons individuelles (MI), Source : Chiffres clés du bâtiment, ADEME, 2012 Attention : Les données de consommation de chauffage sont à vérifier au cas par cas, car tous les bâtiments construits avant 1975 n ont pas la même consommation énergétique, comme l illustre le schéma n 3 (page 7). 1 Chiffres clé du bâtiment, ADEME, Chiffres clé du bâtiment, ADEME, 2012 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 4 sur 42

5 Le plan de rénovation énergétique de l habitat annoncé par le gouvernement français en mars 2013, prévoit notamment la rénovation de logements par an entre 2013 et 2017 afin de diminuer de 38% la consommation énergétique dans le secteur du bâtiment. La performance minimale imposée par la réglementation thermique RT - existant (élément par élément ou globale) reste largement en-dessous des objectifs cités ci-dessus et ceux imposés par l Europe. De plus, les bâtiments classés ou construits avec des matériaux non industriels ne sont pas concernés par les objectifs minimums de la RT existant. Afin d atteindre les objectifs nationaux et internationaux, la plupart des subventions financières accordées aux maîtres d ouvrages, imposent un niveau plus exigeant que le niveau de base de la RT. Ainsi, de nombreux travaux d amélioration thermique peuvent prétendre à des aides publiques comme les crédits d impôts, différents appels à projets de l ADEME, l éco prêt à taux 0, des aides européennes comme le FEDER etc. Fin 2013 a été annoncée le projet de loi permettant une baisse de la TVA à 5,5 % pour les travaux de rénovation énergétique à compter de En France, la labellisation BBC rénovation exige une forte baisse des consommations énergétiques par rapport au niveau initial : - dans le bâtiment tertiaire, ceci correspond à une diminution de 40% des consommations d énergie par rapport à un bâtiment conforme aux minima exigés par la RT existant, - dans le secteur de l habitat cela correspond à une consommation de 80kWh/m².an x les modulations (ce qui correspond à 96kWh/m².an pour la zone H1c). D autres pays possèdent des niveaux de labellisations équivalents ou allant au-delà du niveau BBC rénovation comme les niveaux «Passivhaus» (ou «EnergPHit» pour la réhabilitation) en Allemagne et «Minergie» en Suisse. Les premiers retours d expérience de bâtiments existants rénovés à un niveau très performant, permettent non seulement des résultats positifs concernant les économies d énergie mais montrent également un certain nombre de points de vigilance concernant des dégradations éventuelles du bâti (voir chapitre III). Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 5 sur 42

6 2. Le cas particulier du bâti ancien Généralement sont décrits comme bâtiments anciens des bâtiments construits avant Cette date est considérée comme le début de l utilisation massive des matériaux industriels. Dans la circulaire du 22 juillet 2013 relative à la territorialisation du plan de rénovation énergétique de l habitat, il est indiqué que le bâti ancien est caractérisé par des matériaux anciens dits «humides», c est-à-dire laissant passer la vapeur d eau. Schéma n 2 : perméabilité à la vapeur d eau de certains matériaux de construction, Source CETE de l Est Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 6 sur 42

7 De plus, la circulaire indique que le bâti ancien «bénéficie ( ) de performances énergétiques relativement bonnes, proches des constructions du début des années 1990» 3. Cet aspect est également décrit dans les études du CETE de l Est : Schéma n 3 : consommation réelle de différentes typologies de bâtiments, Source : CETE de l Est Schéma n 4 : classification DPE par tranche d âge du bâti, Source : CETE de l Est 3 Circulaire du 22 juillet 2013 relative à la territorialisation du plan de rénovation énergétique de l habitat Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 7 sur 42

8 Lors de travaux d amélioration des performances énergétiques du bâti ancien, une attention particulière devra être portée au choix des matériaux afin d éviter le confinement de ces matériaux «humides». Les solutions proposées pour une rénovation énergétique devront donc être adaptées à la situation bien particulière de chaque bâtiment ancien. Pour cela une bonne connaissance du bâti est nécessaire, de préférence à travers un diagnostic approfondi. Dans de nombreux cas, un tel diagnostic devrait contenir une partie architecturale ainsi qu une analyse thermique. L analyse architecturale devra traiter des spécificités architecturales du bâtiment à prendre en compte comme par exemple les éléments particuliers à conserver. De plus, un historique précisant l évolution et les transformations apportées au bâtiment sont des éléments indispensables. La datation des travaux permet souvent une meilleure connaissance des matériaux et techniques utilisés. L analyse thermique permettra notamment une meilleure connaissance des équipements techniques (si existants), la présence ou non de matériaux isolants ainsi que leur épaisseur et leur état. Dans le cadre d un diagnostic approfondi, les désordres apparents devront être identifiés et leur source devra être recherchée afin de les traiter. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 8 sur 42

9 II. L humidité dans le bâtiment les sources Il est souvent difficile d identifier avec certitude une source unique des dégradations constatées dans le bâti existant. C est pourquoi l objectif de ce travail de fin de formation est notamment d avertir sur les risques liés au transfert d humidité et de présenter un certain nombre de solutions possibles afin de limiter et de prévenir des dégradations sur le bâti existant. Les simulations présentées au paragraphe IV concernent la partie courante d un mur et n incluent pas les points particuliers comme les ponts thermiques, les pourtours des menuiseries ou autres. Le schéma ci-dessous indique différents éléments pouvant créer ou renforcer l accumulation d humidité dans un mur. Des précisions seront apportées sur certains de ces éléments dans les paragraphes II et III. Schéma n 5 : accumulation de travaux pouvant mettre en danger la pérennité du bâti, Source : L isolation thermique écologique, Jean- Pierre Oliva, Samuel Courgey Flèche rouge : pression de vapeur d eau Flèche bleue : capillarité Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 9 sur 42

10 1. Les transferts d humidité phénomène physique Avant de préciser les sources d humidité dans le bâti, il est important de rappeler quelques phénomènes physiques expliquant les transferts d humidité dans ses différents états (gazeux, liquide). Un air froid peut contenir moins d humidité qu un air chaud, c est-à-dire que le 1 er est plus vite saturé en humidité. Ceci a pour conséquence que lorsque l air se refroidit, le «trop» de vapeur d eau se transforme en eau condensée. Ce phénomène aussi appelé point de rosée. La condensation est le passage de l état gazeux à l état liquide de l eau. Le diagramme de Mollier permet de visualiser ce phénomène : Schéma n 6, diagramme de Mollier, Source : Agence Qualité Construction, fiche pathologique n E1 «Condensations dans les logements» Dans une paroi, le point de rosée se situe à l endroit où la température est la plus basse, comme par exemple un défaut d isolation. Ainsi la condensation risque de se créer entre deux matériaux de construction qui ont une perméabilité très différente (comme c est le cas entre la structure porteuse et l isolant). Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 10 sur 42

11 2. Les sources d apparition d eau dans le bâti Il existe de nombreuses sources d humidité dans le bâtiment, en plus des sources accidentelles comme les fuites d eau. Les principales sources sont les suivantes : 1. Les pénétrations de l eau provenant des intempéries (pluie, neige ) à travers les matériaux de constructions non étanches à l eau. Ce phénomène est encore renforcé en cas de défauts dans les enduits, habillages muraux ou menuiseries existants. 2. Les remontées capillaires : l humidité provient du sol et remonte à l intérieur des murs. Il est nécessaire de traiter les remontées capillaires avant des travaux de réhabilitation, sinon les interventions risquent de ne pas être durables dans le temps. 3. Fuites d air et points froids : inétanchéité à l air, à l eau ou ponts thermiques permettant l infiltration de l humidité dans les parois. 4. Eau contenue dans les matériaux : surtout en cas de travaux ayant recours à des matériaux nécessitant une mise en œuvre humide mais également des matériaux poreux (hygroscopiques) qui s adaptent aux conditions hygrométriques ambiantes. 5. L humidité de condensation, c est-à-dire la vapeur d eau contenue dans l air qui peut avoir de nombreuses sources comme la respiration des usagers, les douches ou bains, le séchage du linge ou un défaut du système de ventilation. La vapeur d eau contenu dans l air est fonction de sa température. Schéma n 7, les 5 principales sources d apparition d humidité dans un bâtiment, Source : Samuel Courgey, intervention lors de la formation RENEC En considérant que le bâti existant dans son état initial est souvent adapté aux différents transferts d eau ou de vapeur d eau, cet équilibre peut être fortement mis en péril suite à des travaux de rénovation dans un bâtiment. Des dégradations auparavant inexistantes ou ayant peu d impact sur le fonctionnement du bâti peuvent apparaître (voir paragraphe III.1). Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 11 sur 42

12 3. Les transferts d humidité dans les parois Dans le bâti ancien, une grande partie des matériaux de constructions sont ouverts aux transferts d humidité (voir paragraphe I.2). Ces matériaux de construction plus ou moins perméables permettent le transfert hygrothermique entre l intérieur et l extérieur. Il est à noter que le transfert de la vapeur d eau se fait de la pression la plus élevée vers la pression la plus basse. Dans le climat européen, en hiver, le transfert se fait de l intérieur du bâtiment chauffé vers l extérieur : Schéma n 8 : transfert de la pression de vapeur d eau la plus élevée vers la plus basse, Source : L isolation thermique écologique, Jean-Pierre Oliva, Samuel Courgey Le bon fonctionnement de ces transferts assure la pérennité du bâtiment ainsi que le confort des utilisateurs du bâtiment à travers un taux d humidité bien régulé (entre 40 et 60% environ). Les propriétés suivantes impactent fortement sur le comportement des matériaux en contact avec l humidité : - Leur porosité : indique la présence ou non de pores ou de cavités pouvant stocker de l air dans un matériau. - Leur capillarité : précise la capacité du matériau à permettre la migration plus ou moins forte de l eau en son sein. Ce phénomène permet à un matériau de construction capillaire de transporter l humidité jusqu à sa surface afin de permettre l évaporation de la vapeur d eau à ce niveau. - Leur comportement hygroscopique : précise si un matériau peut stocker ou non des molécules de vapeur d eau. Ainsi un isolant appelé hygroscopique est un isolant avec des pores très petites et qui est en mesure de fixer l humidité. - «Leur capacité à s opposer à la migration de la vapeur d eau. Un matériau est caractérisé par une valeur Sd et son unité est le mètre. Cette valeur est également Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 12 sur 42

13 appelée «épaisseur de lame d air équivalente» ou «résistance à la migration de vapeur d eau».» 4 - Leur putrescibilité : certains matériaux de construction peuvent se décomposer dans certaines conditions d exposition prolongée à l humidité. En règle générale et afin de limiter le risque d accumulation de vapeur d eau dans une paroi, il est conseillé de poser les matériaux les plus résistants à la vapeur d eau à l intérieur et de poser les matériaux les moins résistants à la vapeur d eau à l extérieur. Une stratégie souvent appliquée est la règle du 5 pour 1 qui préconise un matériau 5 fois plus perméable à la vapeur d eau posé à l extérieur par rapport au matériau intérieur. En hiver, dans un bâtiment chauffé, l air chaud chargé de vapeur d eau est transporté par pression à travers les matériaux «poreux» (dont les isolants) afin de trouver un équilibre avec le taux d humidité à l extérieur du bâtiment. A ce moment, la température de l air baisse lorsqu il traverse la paroi et sa capacité à contenir de la vapeur d eau baisse jusqu à saturation (voir schéma n 6 diagramme de Mollier p age 10). La vapeur d eau excédentaire condense quand le point de rosée est atteint (apparition de gouttes d eau). Ce phénomène se produit particulièrement au niveau de ponts thermiques (voir paragraphe II.4). 4. Les matériaux isolants face aux transferts d humidité dans les parois Le rôle premier d un matériau isolant est de limiter les transferts de chaleur dans les parois du bâtiment aussi appelé résistance thermique. Ceci est possible grâce à sa faculté d emprisonner l air de façon immobile. Pour réussir à conserver l air immobile, il faut protéger la couche d isolant contre les infiltrations d air. D autres propriétés techniques des matériaux isolants peuvent venir s ajouter à sa faculté de s opposer aux transferts de chaleur, comme par exemple sa résistance au feu, sa résistance mécanique, son pouvoir isolant acoustique etc. L eau de condensation traversant un mur isolé risque de faire fortement baisser la résistance thermique de l isolant (l eau est 20 fois plus conductrice que l air immobile). Comme l indique le schéma n 9 page 14, les matériaux isolants peuve nt se comporter de façon très différente lorsqu ils rentrent en contact avec l humidité. 4 «Guide à l attention des maîtres d ouvrage - Maîtrise des transferts d humidité dans les parois», Région Rhône-Alpes, ADEME, Rhonalpenergie Environnement, 2010 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 13 sur 42

14 Ainsi la résistance thermique du béton cellulaire diminue de façon linéaire en fonction de son humidité, tandis qu un isolant en polystyrène voit son pouvoir isolant diminuer de façon progressive. La laine minérale est le matériau isolant qui perd le plus rapidement son pouvoir isolant (à partir d un taux d humidité assez bas). Schéma n 9 : effet de l humidité sur la conductivité thermique du polystyrène, de la laine minérale et du béton cellulaire, Source : En plus de la dégradation de la résistance thermique, l humidité peut également dégrader le matériau isolant en attaquant la colle, les liants ou les fibres. L eau de condensation peut également être à l origine de la création de micro-organismes comme par exemple des moisissures. La mise en place d un isolant (ou autre matériau de construction ou de décoration) sur un mur humide peut diminuer l évaporation en surface et donc limiter l assèchement initialement possible du mur. Il est nécessaire de choisir au cas par cas le matériau isolant (et tout autre matériau de construction ou de décoration) afin de vérifier son impact sur le transfert de vapeur d eau. De plus, il faudra estimer si la mise en place d un pare-vapeur ou d un freine-vapeur est nécessaire. Dans le cas d une isolation par l intérieur (ITI), le risque de condensation d eau entre le mur et l isolant est plus élevé que lors d une isolation par l extérieur (ITE) parce que le mur est froid et l isolant peut limiter ou empêcher un transfert de l humidité vers l intérieur. Un parevapeur ou freine-vapeur (posé à l intérieur) aura pour fonction de faire baisser la pression de vapeur d eau avant la traversée de l isolant, surtout s il s agit d un isolant ouvert au transfert d humidité. Dans ce cas le risque de condensation est considérablement baissé car la pression de la vapeur saturante reste inférieure à la pression de la vapeur d eau. (voir schémas et calculs au paragraphe IV.5). Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 14 sur 42

15 Une molécule d eau étant plus petite qu une molécule d air, un écran imperméable à l air (pare ou freine-vapeur) peut être perméable à la vapeur d eau. Il existe même des freinevapeur qui s adaptent aux changements du taux d humidité : Schéma n 10 : Variation du Sd d un freine-vapeur hygro-variable, Source : L isolation thermique écologique, Jean- Pierre Oliva, Samuel Courgey Attention : les calculs théoriques prennent en compte une mise en œuvre «parfaite» des pare-vapeurs ou freine-vapeurs et conforme aux documents de référence comme les DTU ou avis techniques. En cas de défauts de la mise en œuvre des pare ou freine-vapeur la vapeur d eau s infiltre à l endroit où la pose est défectueuse. A ce moment, l humidité reste enfermée derrière la membrane et une dégradation des performances de l isolant est à prévoir ainsi que l augmentation des risques de condensation d eau. Il est donc essentiel de veiller à une bonne conception ainsi qu une mise en œuvre particulièrement soignée. Schéma n 11 : vapeur d eau s infiltrant par toutes les discontinuités et défauts dans le pare-vapeur, Source : L isolation thermique écologique, Jean-Pierre Oliva, Samuel Courgey Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 15 sur 42

16 Le choix d isoler ou non une paroi devra être bien réfléchi en prenant en compte un maximum de critères. Lorsqu une isolation est possible, il devra être étudié les avantages et inconvénients d une isolation par l intérieur ou par l extérieur, voir les deux. Certaines solutions seront étudiées au paragraphe IV afin de voir l impact d une isolation sur le comportement hygrothermique d une paroi. De multiples autres aspects pourront impacter le choix entre une ITI et une ITE, comme la perte de surface suite à la pose d une ITI, la conservation des aspects patrimoniaux d un bâtiment etc. III. L humidité dans le bâtiment les conséquences 1. Risques et vigilances lors d une rénovation énergétique - théorie Une rénovation énergétique très performante consiste la plus part du temps à la mise en place d une épaisseur plus ou moins importante d isolant au niveau des murs, toiture et plancher bas, ainsi que dans un remplacement des menuiseries. Par défaut, ces travaux impactent sur le comportement initial du bâtiment et notamment sur l étanchéité à l air et les transferts d humidité. Ces deux aspects nécessitent une intervention au niveau de la ventilation du bâtiment afin d assurer un bon renouvellement de l air intérieur et une évacuation de l humidité. Dans le bâti ancien non rénové «le renouvellement d air, qui a en particulier pour objectif de réguler le taux d humidité, s y fait par les défauts naturels d étanchéité» 5. Il s agit ici d infiltrations d air non maîtrisées (et non souhaitées dans le bâti neuf ou rénové) situées la plupart du temps au niveau des menuiseries anciennes. Lors d un remplacement des menuiseries les pourtours des fenêtres ainsi que les joints autour des ouvrants sont soit repris, soit remplacés et donc plus étanches qu avant travaux. Si aucun travail sur la ventilation n est entrepris pour permettre le bon renouvellement de l air intérieur, le taux d humidité à l intérieur augmente. Il est donc primordial de prévoir la mise en place d un système de ventilation lors du renforcement de l étanchéité à l air du bâtiment afin d évacuer l humidité et les polluants contenus dans l air intérieur. 5 Circulaire du 22 juillet 2013 relative à la territorialisation du plan de rénovation énergétique de l habitat Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 16 sur 42

17 De l eau peut apparaître sur et autour des menuiseries lors de grands écarts de température entre l intérieur et l extérieur du bâtiment. Le risque de création de moisissures autour des menuiseries augmente ainsi fortement. Schéma n 12, condensation d eau sur la paroi vitrée froide, Source : Un autre point de vigilance accrue est la création ou le renforcement de ponts thermiques, suite aux travaux d amélioration thermique du bâti existant. Les ponts thermiques désignent les endroits où la mise en place d une isolation est impossible ou de moindre épaisseur. Dû à la faible épaisseur ou l absence ponctuelle de matériaux isolants, la résistance thermique est plus faible et les murs sont plus froids à l endroit des ponts thermiques. Ces derniers sont particulièrement importants dans le cas d une isolation thermique par l intérieur au niveau des planchers, des murs intérieurs en contact avec les murs extérieurs, autour des menuiseries etc. Dans le cas d une isolation par l extérieur, les points de vigilance sont surtout situés autour des menuiseries ou des dalles continues comme pour les balcons. Au niveau des ponts thermiques, le risque de condensation d eau est particulièrement élevé (notamment en hiver) et peut avoir pour conséquence la dégradation des matériaux de construction et la création de moisissures. Schéma n 13 : ponts thermiques au niveau d une jonction dalle mur extérieur avec ITI, Source: «Le guide ABC - Amélioration thermique des bâtiments collectifs construits de 1850 à 1974» Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 17 sur 42

18 Les retours d expérience après des interventions sur le bâti existant montrent un certain nombre de défauts et dégradations. Ces travaux ne concernent pas uniquement des travaux d amélioration thermique mais également des travaux d entretien courant ou de remplacement comme par exemple les ravalements des façades. 60% des sinistralités constatées en France par l assurance construction sont dû à l eau, hors dégâts des eaux domestiques classiques et autres infiltrations ou inondations Exemples de sinistres dû à l humidité dans le bâti Souvent les dégradations dues à la présence d humidité dans le bâtiment n apparaissent que des années après la réalisation des travaux et peuvent être dû à différents facteurs. Ces dégradations peuvent apparaître sous différentes formes : - Apparition d eau : un manque d évacuation de l humidité à l intérieur du bâti peut avoir pour conséquence l apparition de condensat à différents endroits comme précédemment illustré dans le paragraphe III.1 Schéma n 14 : apparition de condensation d eau sur une fenêtre, Source : 6 Donnée L Auxiliaire 5 à 7 de l Eco-construction, juin 2012 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 18 sur 42

19 - Moisissures : les moisissures apparaissent souvent aux endroits les plus froids comme les ponts thermiques. Elles peuvent être apparentes comme sur l image cidessous ou cachés derrière des meubles, placards ou à l intérieur du mur. Les moisissures peuvent être source de pollution de l air intérieur et ainsi créer des réactions allergiques ou asthmatiques chez des personnes sensibles. Schéma n 15 : apparition de moisissures au niveau d un pont thermique, Source : L isolation thermique écologique, Jean- Pierre Oliva, Samuel Courgey - Dégradation de l isolant : comme précisé aux paragraphes II.3 et II.4 l impact de l humidité sur les matériaux de construction et plus particulièrement sur les isolants peut être très varié. Schéma n 16 : dégradation d un isolant par l humidité, Source : Info Energie 69 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 19 sur 42

20 - Dégradation des menuiseries : les menuiseries existantes en bois voient souvent la dégradation de leurs éléments directement exposés aux intempéries et à la chaleur. L élément le plus touché par ces dégradations est l appui de fenêtre car l eau de pluie risque de stagner à cet endroit et de pénétrer régulièrement à l intérieur du bois. Schéma n 17 : dégradation d un appui de fenêtre, Source : - Dégradation ponctuelle du bâti (têtes de poutres en bois, éclaboussures d enduits ) : de multiples dégradation peuvent apparaître dans le bâti suite aux interventions sur les éléments existants. Les éléments directement en contact avec les murs extérieurs humides ou les éléments exposés aux intempéries peuvent montrer des signes de dégradation si un séchage suffisant n est pas possible. Schéma n 18 : tête de poutre et lambourde en contact avec le mur extérieur, Source : «Atlas Sanierung», Edition Detail, 2008 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 20 sur 42

21 - Ecroulement (partiel) de la structure (toiture, murs, planchers, ) : certaines interventions sur le bâti existant peuvent avoir des impacts très forts sur l équilibre hygrothermique de la structure porteuse existante. Ceci peut même aller jusqu à l écroulement (partiel) de certaines parties du bâtiment si aucune intervention de prévention ou réparation n est réalisée dans les temps. Le risque d écroulement (partiel) augmente dans le cas de l humidité enfermée à l intérieur d un élément constructif putrescible en cas d exposition prolongée à l humidité. Schéma n 19 : étaiement d un mur en terre crue pour éviter son écroulement, Source : IV. Etude de cas calculs de l hygrothermie Ce paragraphe a pour objectif de visualiser le comportement hygrothermique d un mur sur sa partie courante, hors points particuliers comme les ponts thermiques, les pourtours des menuiseries etc. 1. Choix de l échantillon : bâti ancien lyonnais murs en pierre La région lyonnaise comporte une multitude de typologies de bâtiments différents, datant des différentes époques depuis la fondation de la ville. Le bâti ancien construit avant 1948 représente environ 45% des constructions lyonnaises, dont environ logements qui ont été construits avant Ce bâti se caractérise souvent par l utilisation de la pierre de taille au RDC et la maçonnerie de moellons aux étages. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 21 sur 42

22 Le bâti lyonnais du XIXème siècle se présente d une manière générale, sous forme de bâtiments assez compacts regroupés dans des îlots de moyenne et de forte densité. Ceci est notamment visible sur les pentes de la Croix Rousse et sur la Presqu île et dans une moindre mesure dans les quartiers du 3 ème et 6 ème arrondissement. Les matériaux de constructions utilisés au XIXème siècle, sont des matériaux d origine locale trouvés sur place ou dans les environs proches. Vu la forte présence de bâtiments construits en pierre calcaire, les calculs du comportement hygrothermiques des murs réalisés dans le cadre de ce travail de fin de formation ont été réalisés sur cette typologie. Les murs en pierre calcaire sont hourdés de mortier de chaux et enduits avec des crépis à base de chaux à l intérieur et à l extérieur. Ces murs, à inertie lourde, sont ouverts et perméables à la vapeur d eau. Les planchers sont en bois. A la suite de ce paragraphe, plusieurs scénarios ont été simulés, afin d étudier le comportement hygrothermique de base de ces murs en pierre (IV.4), suivi de différentes simulations avec une isolation par l intérieur (paragraphe IV.5) et de simulations avec une isolation par l extérieur (paragraphe IV.6). Des études sur d autres matériaux de construction ont récemment été réalisées : Le programme de recherche «HYGROBA» sur le comportement hygrothermique en cas de réhabilitation dans le bâti ancien a récemment été publiée par le CETE de l Est avec le LRA, le LMDC et Maison Paysanne de France. Cette étude porte sur les murs en terre crue, en brique de terre cuite et les murs en pan de bois et torchis. 2. Choix de l outil Afin de simuler les risques de condensation d un mur il existe plusieurs outils. - La méthode appelée Glaser, développée dans les années 1950, est toujours couramment utilisée. Cette méthode statique ne permet ni la prise en compte des conditions météorologiques réelles (température, rayonnement solaire, pluie ), ni la variation de la teneur d eau dans une paroi, ni la capillarité des matériaux. - Pour permettre des simulations se rapprochant le plus possible des conditions réelles, le choix de l outil utilisé pour les calculs réalisés dans le cadre de ce travail de fin de formation s est porté sur le logiciel WUFI Light, version 5.2. Ce logiciel, développé par le Fraunhofer Institut für Bauphysik, est un outil de simulation hygrothermique dynamique permettant entre autre la prise en compte de la capillarité des matériaux et des données climatiques réelles. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 22 sur 42

23 3. Cadre des calculs Comme indiqué au paragraphe précédent, les simulations suivantes ont été réalisées à l aide de l outil WUFI Light, version 5.2. Tous les calculs ont été réalisés pour un laps de temps de 5 ans, du 1 er octobre 2010 au 1 er octobre 2015 pour un mur en pierre calcaire orienté Nord, décrit au paragraphe IV.4. S agissant d une version gratuite du logiciel, les matériaux et données ne sont pas modifiables et les valeurs s approchant le plus des conditions lyonnaises ont été retenues pour les simulations. Faute des données exactes pour le climat lyonnais, les fichiers de climat intérieur et extérieur retenus pour les simulations sont ceux pour la ville de Grenoble, mis à disposition par le CSTB: Schéma n 20, fichier climat extérieur de Grenoble pour une année, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 23 sur 42

24 Schéma n 21, fichier climat intérieur de Grenoble pour une année, WUFI Light version 5.2 Les options de départ des calculs sont les suivants pour tous les calculs réalisés dans le cadre de l étude : Schéma n 22, options de calcul WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 24 sur 42

25 4. Mur en pierre calcaire (données de base) Le calcul de départ a été réalisé sur un mur en pierre calcaire orienté Nord d une épaisseur de 45cm, d une densité de 2440 kg/m 3, d une porosité de 0,13 m 3 /m 3, avec un facteur de résistance à la vapeur d eau de 140 et d une conductivité thermique de 2,25W/mK. Le mur est enduit à l intérieur et à l extérieur par un enduit à base de chaux de 2cm d épaisseur chacun. La simulation indique les variations de température en C, de teneur en eau en kg/m 3 et d humidité relative en % pour tout point dans l épaisseur du mur en pierre calcaire et des enduits intérieurs et extérieurs. On visualise clairement que l humidité en provenance de l extérieur (pluie, neige ) apporte une forte variation de l humidité dans la couche extérieur d enduit à la chaux. Le taux d humidité atteint une saturation approchant les 100% à sa surface et baisse de façon bien visible avant d atteindre la prochaine couche, constituée de pierre calcaire. La simulation permet de visualiser un taux d humidité relative situé entre 65 et 80% environ et une teneur en eau quasi nulle dans toute l épaisseur de la pierre calcaire. Au bout de la première année de simulation le taux d humidité dans le mur reste quasiment stable tout au long de l année autour de 65%. La courbe de température est soumise à de fortes variations tout au long de l année. Ces variations diminuent dans l épaisseur du mur. Schéma n 23, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 25 sur 42

26 5. Calculs de l hygrothermie murs en pierre calcaire avec ITI a. Mur en pierre calcaire avec ITI en laine minérale de 10cm Le calcul suivant porte sur le mur décrit au paragraphe IV.4 isolé par l intérieur avec une laine minérale de 10cm et habillé d une plaque de plâtre cartonnée. La simulation indique une variation assez similaire au scénario de base dans la couche d enduit extérieur. Il est à constater que l impact d un enduit extérieur à la chaux (schéma n 24) ou minéral (schéma n 25) est quasi négligeabl e sur ce scénario. Contrairement au scénario de base, le taux d humidité relative à l intérieur du mur en pierre calcaire est situé autour de 80% tout au long de l année. L isolation par l intérieur avec de la laine minérale de 10cm d épaisseur fait fortement varier l humidité relative et la teneur en eau entre l isolant et le mur en pierre calcaire. Le taux d humidité à cet endroit atteint 100% en hiver et descend à environ 55% en été. La teneur en eau, quasi nulle dans toutes les autres couches du mur, augmente également fortement en ce point ainsi que dans l enduit extérieur. Ces augmentations du taux d humidité relative et de la teneur en eau constatées entre la couche d isolation et le mur porteur en pierre, peut avoir un impact assez fort sur le pouvoir isolant de la laine minérale. Comme indiqué sur le schéma n 9 page 14, la résistance thermique de cet isolant baisse fortement dès un taux très bas d humidité relative. De plus, si le temps de séchage du mur n est pas suffisant, le risque de création de moisissures, de dégradations de l isolant et éventuellement du mur en pierre est important. La variation de la courbe de température dans l épaisseur du mur est située entre -5 et 30 C. Les températures négatives dans l épaisseur du mur à l endroit de jonction avec l isolant peuvent renforcer les dégradations possibles à ce niveau. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 26 sur 42

27 Schéma n 24, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure en laine minérale de 10cm, WUFI Light version 5.2 Schéma n 25, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit minéral extérieur et isolation intérieure en laine minérale de 10cm, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 27 sur 42

28 b. Mur en pierre calcaire avec ITI en laine minérale de 16cm La simulation suivante a été réalisée avec les mêmes données que la 5.a. L épaisseur de la laine minérale est passée de 10 à 16cm afin de vérifier l impact sur le comportement hygrothermique du mur en pierre calcaire lors d une variation de l épaisseur de la couche d isolant posé à l intérieur. Aucun changement significatif de la teneur en eau et de l humidité relative n ont été constaté suite à l augmentation de l épaisseur de l isolant. Néanmoins, il s est avéré qu une faible épaisseur d isolant faisait déjà passer l humidité relative à 100% en période froide. Schéma n 26, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure en laine minérale de 16cm, WUFI Light version 5.2 c. Mur en pierre calcaire avec ITI en laine minérale de 10cm + freine-vapeur Dans ce scénario, un freine-vapeur hygro-variable a été ajouté par rapport au scénario 5.a afin de vérifier son impact sur l humidité relative entre l isolant et le mur. Ce freine-vapeur variable permet une ouverture ou une fermeture de ses pores en fonction de l humidité de l air (voir schéma n 10, page 15). Il peut ainsi pr endre le rôle d un freine-vapeur assez ouvert en été (avec un Sd d environ 0,25m) afin de mieux évacuer l humidité contenue dans le mur. En hiver il joue le rôle d un pare-vapeur avec un Sd d environ 10m. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 28 sur 42

29 Pour illustrer la différence entre les calculs réalisés à l aide des diagrammes de Glaser et avec le logiciel WUFI, les deux exemples sont donnés ci-dessous pour le cas d une ITI de 10cm. Les calculs réalisés à l aide d un diagramme de Glaser indiquent que la présence d un parevapeur limite fortement tout risque de condensation car la vapeur d eau pénétrant dans le mur depuis l intérieur baisse très fortement. Schéma n 27, calcul de la condensation de la vapeur d eau dans un mur isolé par l intérieur réalisé à l aide du diagramme de Glaser ; en haut : grand risque de condensation d eau car la courbe de pression de vapeur saturante et de pression de vapeur se croisent dans l épaisseur de l isolant ; en bas : les deux courbes ne se croisent pas, le risque de condensation est donc minime (en théorie) Source : L isolation thermique écologique, Jean-Pierre Oliva, Samuel Courgey L absence de tout risque de condensation dans le cas d une ITI avec pare-vapeur n est réalisable que lors d une mise en œuvre parfaitement étanche et jointive du pare-vapeur en tout point. Chaque imperfection risque une entrée de l humidité à ce niveau et une accumulation d humidité derrière la membrane (voir chapitre II.4 et schéma n 11, page 15). Les deux schémas ci-dessous indiquent que le freine-vapeur hygro-variable impacte légèrement sur le taux d humidité relative entre l isolant et le mur. Le maximum de ce taux, atteint lors de la première année de simulation, est situé autour de 95% et reste donc légèrement en-dessous des 100% trouvés lors des calculs précédents. Il est à constater que l impact d un freine-vapeur, même hygro-variable, ne fait que légèrement baisser l humidité relative entre le mur et l isolant : le taux maximum trouvé en saison froide dès la 2 ème année de simulation est situé entre 85 et 90%. Contrairement aux scénarios précédents, la courbe bleue indiquant la teneur en eau ne présente quasiment pas d augmentation à ce niveau-là. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 29 sur 42

30 Schéma n 28, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure en laine minérale de 10cm + freine-vapeur hygro-variable, WUFI Light version 5.2 Un deuxième calcul a été réalisé afin de vérifier l impact d un enduit isolant extérieur sur le mur précédemment étudié. On voit sur le schéma ci-dessous que la teneur en eau dans la couche d enduit isolant est inférieure à celle contenue dans l enduit à la chaux, mais que les taux d humidité relative ainsi que la teneur en eau ne sont que légèrement inférieures à la simulation précédente. La température minimum dans l épaisseur du mur ne passe que très légèrement en-dessous de 0 C, contrairement à toute s les autres simulations en ITI. Schéma n 29, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit isolant extérieur et isolation intérieure en laine minérale de 10cm + freine-vapeur hygro-variable, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 30 sur 42

31 d. Mur en pierre calcaire avec ITI en polystyrène expansé de 10cm Le calcul suivant a été réalisé sur le mur en pierre, enduit par l extérieur avec un enduit à la chaux et isolé par l intérieur avec un polystyrène expansé de 10cm. Le scénario indique un taux d humidité relative entre le mur en pierre et l isolant entre 90% en hiver et 75% en été. Le fait que le taux soit légèrement plus bas que lors des scénarios avec une ITI en laine minérale pourrait s expliquer par la forte résistance à l humidité du polystyrène expansé. Ce dernier limite l entrée de l humidité dans la paroi depuis l intérieur du bâtiment. Néanmoins il reste à prendre en compte le fait que le polystyrène expansé limite tout transfert d humidité dans les deux sens. D une part l entrée de l humidité depuis l intérieur du bâti et d autre part l évacuation de l humidité éventuellement contenu dans le mur, par exemple dans le cas de remontées capillaires. Schéma n 30, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure en polystyrène expansé de 10cm, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 31 sur 42

32 Un calcul complémentaire a été réalisé afin de vérifier l impact d une source d humidité au niveau du mur (ex. remontée capillaire) sur l accumulation d humidité entre l isolant et le mur en pierre calcaire : Schéma n 31, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et ITI en polystyrène expansé de 10cm + source d humidité au niveau de la pierre calcaire, WUFI Light version 5.2 On voit que l humidité relative entre l isolant et le mur augmente jusqu à un taux d environ 90% en hiver et ne baisse que légèrement en été (autour de 80%). Ceci pourrait avoir pour conséquence des dégradations dans le mur, notamment en période de froid avec un gel possible à l intérieur du mur très humide. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 32 sur 42

33 e. Mur en pierre calcaire avec ITI en panneaux de fibre de bois de 10cm Le calcul suivant a été réalisé sur le mur en pierre calcaire isolé par l intérieur avec des panneaux isolants rigides en fibres de bois de 10cm d épaisseur. Ces panneaux sont hydrofugés dans la masse et perméables à la diffusion de la vapeur d eau. Il est à constater que le taux d humidité relative entre l isolant et le mur en pierre varie fortement entre 65% en été et 100% en hiver tout le long de la durée de la simulation. La teneur en eau est également plus élevée à cet endroit, tandis qu elle est quasi nulle dans toute l épaisseur du mur. Schéma n 32, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure en panneaux rigides en fibre de bois de 10cm, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 33 sur 42

34 f. Mur en pierre calcaire avec ITI en panneaux isolants minéraux de 10cm Un dernier calcul en situation d ITI a été réalisé afin de simuler une isolation avec des panneaux isolants minéraux d une épaisseur de 10cm. L isolant Multipor est un matériau ouvert à la diffusion de la vapeur d eau permettant de baisser le taux d humidité relative à 70% en été entre le mur et l isolant. Le taux maximum atteint en hiver se situe autour de 90%. L augmentation de la teneur en eau semble quasiment négligeable entre l isolant et le mur en pierre calcaire. Schéma n 33, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec enduit à la chaux extérieur et isolation intérieure avec panneaux minéraux de 10cm, WUFI Light version 5.2 g. Généralités pour l isolation par l intérieur suite aux simulations Toutes les simulations réalisées indiquent que les températures du mur varient fortement avec une ITI. Une isolation par l intérieur augmente fortement le risque de gel dans le mur humide. Ceci est dû à la baisse de température en période hivernale dans le mur porteur (en-dessous de 0 C). De plus, l isolant, l enduit e xtérieur et/ ou le freine-vapeur peuvent créer des barrières au transfert de la vapeur d eau vers l extérieur ou vers l intérieur du bâtiment et risquent ainsi d enfermer l humidité à l intérieur du mur. Le risque de gel dans le mur serait ainsi encore augmenté, car le séchage en période de températures plus élevées est limité voir impossible. L utilisation d un freine-vapeur hygro-variable est fortement recommandée lors de la pose d un isolant perspirant, afin de limiter l entrée de la vapeur d eau depuis l intérieur du bâti tout en permettant le séchage du mur grâce au transfert de l humidité vers l intérieur. Les simulations réalisées permettent de visualiser que la pose d un tel freine-vapeur hygrovariable n écarte pas complètement tout risque de condensation, comme peuvent l indiquer Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 34 sur 42

35 les diagrammes de Glaser. Néanmoins, la teneur en eau entre l isolant et le mur est quasi nulle dans les simulations réalisées avec un freine-vapeur hygro-variable. Nota, dans la littérature allemande, il est souvent conseillé de ne pas dépasser une épaisseur d isolation en ITI de 8 à 10cm afin de minimiser les risques liés notamment à l humidité dans le mur. C est pourquoi la plupart des calculs ont été réalisés avec une épaisseur d isolant de 10cm. 6. Calculs de l hygrothermie murs en pierre calcaire avec ITE Comme indiqué préalablement, une isolation par l extérieur permet d éviter un grand nombre des ponts thermiques constatés en ITI, notamment ceux au niveau des planchers et murs de refend. De plus, une ITE permet au mur porteur d éviter des fortes variations de température tout au long de l année. Tous les calculs ont été réalisés avec une épaisseur d isolation plus élevée qu en ITI du fait de la possibilité d isoler avec une plus forte épaisseur sans impacter la surface disponible à l intérieur. a. Mur en pierre calcaire avec ITE en laine minérale de 16cm Pour cette simulation, le mur en pierre calcaire a été isolé par l extérieur avec une laine minérale d une épaisseur de 16cm couverte d un enduit minéral. Le taux d humidité oscille entre 35 et 65% au bout de la 2 ème année de simulation. Contrairement aux simulations avec une ITI, les taux les plus élevés sont constatés en été et non plus en hiver. La courbe de teneur en eau est quasiment nulle sur toute l épaisseur du mur, à l exception de l enduit minéral extérieur. De plus, on peut constater que la courbe de température est quasi stable tout au long de l année autour de 20 C dans toute l épaisseur du mu r porteur. Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 35 sur 42

36 Schéma n 34, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec ITE en laine minérale de 16cm + enduit minéral, WUFI Light version 5.2 b. Mur en pierre calcaire avec ITE en laine minérale de 16cm + pare-vent/ parepluie Schéma n 35, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec ITE en laine minérale de 16cm + pare-pluie/ pare-vent, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 36 sur 42

37 Afin de minimiser l humidité rentrant en contact avec la laine minérale depuis l extérieur, ce scénario simule la présence d un pare-pluie/ pare-vent posé à l extérieur de la laine minérale. Après l humidité relative de départ de 80% cette valeur chute rapidement et varie entre 30% en hiver et 65% en été. La teneur en eau est quasi nulle dans toute l épaisseur du mur en raison de la présence du pare-pluie/ pare-vent. La différence entre ce scénario et le scénario 6.a est donc très faible. c. Mur en pierre calcaire avec ITE en polystyrène expansé de 16cm Dans le calcul suivant le mur en pierre calcaire est isolé en ITE avec un polystyrène expansé d une épaisseur de 16cm + enduit minéral. Il peut être constaté qu après la première année de simulation, pendant laquelle le taux d humidité relative est à 80%, ce taux baisse très fortement et oscille entre 40 et 55% environ à la jonction entre le mur et l isolant. De nouveau les taux les plus bas sont constatés en hiver. Schéma n 36, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec ITE en polystyrène expansé de 16cm + enduit minéral, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 37 sur 42

38 d. Mur en pierre calcaire avec ITE en panneaux isolants minéraux de 16cm Comme déjà constaté dans les scénarios précédents, le taux d humidité relative de départ (environ 80%) baisse au bout de la première année de simulation pour ensuite osciller entre 35 et 55% environ à la jonction entre le mur porteur et l isolant en panneaux minéraux de 16cm. Le taux d humidité constaté en hiver à l intérieur du mur est légèrement plus bas qu avec une isolation en polystyrène expansé. Schéma n 37, comportement hygrothermique d un mur en pierre calcaire avec ITE en panneaux minéraux de 16cm + enduit minéral, WUFI Light version 5.2 Transfert d humidité dans la paroi extérieure en rénovation énergétique Page 38 sur 42