MISE EN ŒUVRE PATHOLOGIE LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE UN OUTIL DEVENU INCONTOURNABLE TEXTE : FRANCK GAUTHIER PHOTOS : FLIR, TESTO De plus en plus accessible et d apparence simple à utiliser, la caméra thermographique infrarouge révèle de manière souvent spectaculaire divers défauts du bâtiment, notamment en matière d isolation et de perméabilité à l air. Mais attention, les résultats obtenus doivent ensuite être interprétés avec discernement pour éviter des conclusions erronées. D où la nécessité d une formation suffisante et d une bonne assistance technique. Vision globale d une maison pointant les ponts thermiques et les déperditions au niveau des parties vitrées (Photo Flir). 55
PATHOLOGIE MISE EN ŒUVRE Initialement conçues pour des applications militaires, notamment pour la vision nocturne, les premières caméras thermographiques datent de la fin des années cinquante. Une dizaine d années plus tard, elles ont commencé à être employées dans le secteur industriel pour la détection, à distance et sans contact, d échauffements ou de températures anormales révélant un défaut mécanique, électrique ou autre. En matière de maintenance préventive, un tel diagnostic permet d éviter ultérieurement une perte de production liée à une défaillance mécanique, par exemple, ou un incendie d origine électrique. Une des applications les plus récentes de ces caméras se retrouve sur certaines automobiles haut de gamme, pour visualiser à l avance des piétons ou des cyclistes présents sur la route, audelà de la portée des phares. Dans le secteur du bâtiment, à la suite des pays nordiques et de l Allemagne, la France s intéresse de plus en plus à ces matériels ces dernières années, essentiellement pour évaluer les performances énergétiques des habitations. Mesurer et visualiser le rayonnement de la matière «La thermographie infrarouge est une méthode de mesure, sans contact et en temps réel, des températures de surface d un objet dans des conditions données. Les caméras thermographiques mesurent la luminance des objets, c est-à-dire le rayonnement électromagnétique émis par la matière. On peut ensuite assimiler ce rayonnement à une température, grâce à un processus de calcul mathématique (loi de Planck) qui corrèle les valeurs de luminance à des températures», explique Bruno Berthineau, ingénieur de recherche au CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment). En effet, tous les corps, quels qu ils soient, audessus du zéro absolu, émettent un rayonnement. Celui-ci dépend de l énergie émise par le corps: elle sera évidemment plus faible (mais loin d être nulle) pour un bloc de glace que pour une casserole d eau bouillante. Là où un appareil photo numérique aurait capté des points de lumière, pixel par pixel, la caméra infrarouge va enregistrer des points de luminance qui vont composer l image thermique ou thermogramme. Ces luminances, au moyen d un calcul intégré à la caméra, seront «traduites» en températures, en tenant compte de plusieurs paramètres (citons principalement les caractéristiques des matériaux et les conditions d environnement). Sur chaque point de l image, la température est traduite selon un code de couleurs : habituellement, plus la température d un point est «froide», plus la couleur associée va être choisie dans les teintes dites froides (noir, violet, bleu ), plus un point est «chaud», plus il sera situé dans les teintes dites chaudes (jaune, orange, rouge ). Purement arbitraire, ce code couleur sert juste à faciliter la lecture de l image thermique, et pour certaines applications il peut être tout autre. 1 2 3 1 L imagerie d un plancher chauffant permet de localiser nettement une fuite sur un tuyau (zone rouge). 2 La détection de zones d humidité invisibles à l œil nu permet d anticiper l apparition de moisissures, et donc d intervenir avant une dégradation plus conséquente. 3 Le doublage en plaques de plâtre, non posé au ras du sol, est source de problèmes d étanchéité à l air. Photos Flir (1) Certaines municipalités font réaliser des thermographies aériennes d un quartier ou de leur ville afin que soient évaluées les déperditions thermiques des habitations existantes. L objectif est généralement de sensibiliser les propriétaires aux défauts d isolation de leurs biens. Une large gamme d utilisations dans le bâtiment «Dans le secteur du bâtiment, la thermographie infrarouge permet d évaluer la qualité de l isolation thermique d une habitation, de sa mise en œuvre ou la présence de ponts thermiques dans d une construction. En Belgique, ce diagnostic peut être systématiquement réalisé lors de la réception d un bâtiment neuf ou existant, son coût étant partagé entre l État et l acheteur. Il permet de vérifier s il n y a pas de désordre important au niveau de la nature des isolants ou de leur mise en œuvre» signale Bruno Berthineau. Au niveau de l existant, la caméra thermique montre aussi tous les défauts d isolation, qu ils soient situés au niveau des murs, des sols ou du toit (1). «Si un mur est bien isolé, son image infrarouge, après correction des caractéristiques des matériaux (émissivité), des données environnementales et dynamiques de la scène, présentera une température proche de celle de l ambiance. En revanche, si un radiateur est fixé sur la face interne d un mur mal ou non isolé, la fuite des calories à travers le mur sera clairement visible depuis l extérieur. Elle se traduira par l apparition d une zone de couleur différente, contrastant avec la couleur du reste du mur», précise Bruno Berthineau. Tous les ponts thermiques sont aussi mis en évidence, ainsi que certaines structures cachées du bâti qui peuvent engendrer des irrégularités dans la scène thermique (rails métalliques pour la fixation des plaques de plâtre, ancienne fenêtre condamnée, invisible à l œil nu ). «Au CSTB, la thermographie est également utilisée en association avec le test d infiltrométrie (blower door ou porte soufflante ). Celui-ci consiste à mettre les locaux en dépression (jusqu à plusieurs dizaines de Pascals) à l aide d une porte à ventilateur pour évaluer leur perméabilité à l air. Les fuites d air sont le plus souvent localisées près des ouvertures, au niveau des planchers sur vide sanitaire, des trappes de visite, des prises électriques Au lieu d utiliser des jets de fumée, voire des traceurs radioactifs, pour visualiser les fuites, il suffit d observer sur l écran les zones aux teintes incompatibles avec celles des parois chauffées, c est-à-dire celles par où l air froid extérieur s infiltre vers l intérieur. Cette technique de visualisation à distance présente de plus l intérêt de pouvoir intervenir sur des bâtiments ayant de grandes hauteurs sous plafond (plus de 4 m) ou d atteindre des zones habituellement inaccessibles en raison de leur configuration. Ces procédures permettent aussi de contrôler la qualité des huisseries et de leur mise en œuvre» signale Bruno Berthineau. Une caméra thermographique est aussi un outil intéressant en matière de prévention des pathologies potentielles ou naissantes. «Ainsi, elle permet, par exemple, d identifier la zone où le point de rosée est atteint sur un mur avant même l apparition des premières dégradations dues à l humidité, voire celle de moisissures, bien qu il faille pour cela connaître la plage d humidité relative à laquelle la paroi est soumise. Sur un mur pignon, la visualisation dans le spectre infrarouge d une cloque, par exemple, 56 QUALITÉ CONSTRUCTION N 123 NOVEMBRE / DÉCEMBRE 2010
permettra de savoir s il s agit d une fuite ancienne ou actuelle, sans avoir à monter un échafaudage ou louer une nacelle. En toiture, les infiltrations d eau sont également visibles, tant que le phénomène d évaporation n est pas achevé. Certains phénomènes, liés aux différences d inertie des matériaux, peuvent aussi être mis en évidence par l alternance de température de jour et de nuit, assez souvent relativement éloignées sous nos latitudes», commente Bruno Berthineau. En génie climatique, la caméra thermique sert aussi à vérifier à distance le bon fonctionnement de divers équipements. «En ventilation mécanique, elle peut parfois permettre de savoir si une bouche d extraction fonctionne ou pas. En ventilation double flux, elle permet de voir et de mesurer le différentiel de température entre l air entrant et l air sortant. On peut s assurer que les capacités de l échangeur thermique sont bien celles attendues lors de la conception. Au niveau des planchers chauffants, la caméra infrarouge permet de localiser avec précision l emplacement des câbles chauffants ou les tubes dans lesquels circule le fluide caloporteur, une information particulièrement intéressante si des percements sont prévus dans le sol. Elle s emploie aussi pour la détection et la localisation de fuites au niveau des canalisations qui transportent le fluide chaud, car celui-ci va engendrer un réchauffement inhabituel au voisinage du désordre», ajoute Bruno Berthineau. Bien interpréter les résultats Pour bien mesurer la température d un objet ou d une zone à l aide d une caméra infrarouge, l idéal serait évidemment que tous les rayonnements détectés par la caméra proviennent uniquement de la zone ou de l objet étudié. Mais, dans la réalité, tous les corps qui entourent l objet ou la zone en question émettent aussi des rayonnements que capte la caméra. Ainsi, viser un objet chaud dans une ambiance froide sera toujours préférable à l inverse. Un objet chaud comme un câble chauffant a, en effet, une valeur de rayonnement bien plus élevée que la dalle béton dans laquelle il se trouve. Relativement plus froide, celle-ci rayonne bien moins. En revanche, si on veut visualiser un objet froid (canalisation d un groupe froid dans une chaufferie, par exemple), la caméra risque d être «éblouie» par le rayonnement chaud de son environnement (phénomène lié aux différences d énergie notables que l on peut visualiser sur l empilement des courbes iso température de Planck en fonction des longueurs d ondes). Plus le différentiel entre les zones «froides» et «chaudes» est important, meilleurs seront les résultats obtenus, même si les caméras récentes ont des résolutions qui permettent de visualiser des écarts de températures de surface très faibles (0,05 C). D une manière générale, pour mesurer dans de bonnes conditions la qualité de l isolation d une maison par exemple, un écart minimum de 10 C est recommandé. Le diagnostic sera de préférence réalisé au petit matin, le soir ou la nuit, pendant la période de chauffe, plutôt qu à midi, en plein soleil. Les jours de forte Pour obtenir des diagnostics et des mesures pertinents, il faut aussi se placer perpendiculairement à la scène visée car l émissivité varie avec l angle d observation 4 5 6 7 4 & 5 Sur ce lanterneau, les déperditions thermiques sont clairement identifiées au niveau du vitrage. 6 & 7 Déperditions thermiques au niveau des joints et du bardage en façade. Photos Testo pluie sont aussi à éviter sous peine d obtenir une lecture faussée (refroidissements obtenus par évaporation et non par déperdition). Pour obtenir des diagnostics et des mesures pertinents, il faut aussi se placer perpendiculairement à la scène visée car l émissivité varie avec l angle d observation, et celles usuellement trouvées dans la littérature ont été obtenues par mesures orthogonales. La distance de visée intervient également car l épaisseur de l atmosphère modifie le rayonnement. Au-delà d une certaine distance, la visualisation restera possible dans ses grandes lignes mais les mesures proprement dites pourront être entachées d une incertitude plus grande. Pour éviter les erreurs d interprétation, il faut avoir une bonne connaissance de la physique du rayonnement. Notamment concernant la notion d émissivité, une grandeur sans unité, puisque c est un ratio qui qualifie la part d absorption et de réflexion d un matériau. Selon les matériaux, cette réflexion peut être soit diffuse, soit spéculaire. La réflexion diffuse se manifeste au niveau des interfaces irrégulières : la lumière est réfléchie dans un grand nombre de directions et l énergie du rayon incident est redistribuée dans une multitude de rayons réfléchis. C est le cas d un béton par exemple. La réflexion est dite spéculaire lorsque le rayon incident donne naissance à un rayon réfléchi unique. La réflexion dépend donc de l interface que fait la matière visée avec l air ambiant. Dès que la taille des défauts de l interface est inférieure ou de l ordre de grandeur de la longueur d onde du rayonnement, l interface tend à devenir parfaitement réfléchissante. C est pourquoi une surface de métal brut devient très réfléchissante lorsqu elle est soigneusement polie (son émissivité diminue et la réflexion devient spéculaire). La forte réflexion spéculaire des vitrages par exemple (pourtant d émissivité assez élevée), peut s avérer gênante dans certains cas pour un diagnostic thermographique. «Il faut aussi prendre en compte les phénomènes dynamiques. Une caméra thermographique enregistre une scène à un moment t, qui peut être très différente quelques heures plus tard. En effet, selon la nature des matériaux et leur inertie thermique, ils restituent plus ou moins lentement la chaleur de la journée pour adopter la fraîcheur de la nuit. Au phénomène d alternance de température extérieure jour/nuit peut aussi s ajouter une alternance de température intérieure. C est le cas si un abaissement nocturne est programmé au niveau de la gestion du chauffage. Le problème réside dans le fait que ces phénomènes ne sont souvent pas suffisamment intégrés dans les diagnostics thermographiques à prix discount», souligne Bruno Berthineau. 57
PATHOLOGIE MISE EN ŒUVRE Avec la thermographie infrarouge, Il faut aussi faire attention à ne pas aboutir à des conclusions erronnées à partir des données brutes. Exemple: «Une maison individuelle d entrée de gamme a été surélevée d un étage qui est isolé avec un produit performant. Un complément d isolation est aussi apporté en partie basse avec ce même matériau mais en plus faible épaisseur. À l issue des travaux, les mesures thermographiques réalisées à 10 heures du matin montrent qu apparemment les meilleurs résultats sont paradoxalement obtenus en partie basse: il y a un écart de 2 C avec la partie haute, censée être plus performante. Dans la réalité des faits, elle l est, mais l inertie thermique plus importante de la partie basse fausse les résultats car elle met plus de temps à prendre la température de l air extérieur. Pour s en assurer, de retour au laboratoire du CSTB, nous avons effectué une simulation numérique dynamique à partir des caractéristiques physiques des différents matériaux et de l évolution de la température nocturne. Elle a confirmé les résultats obtenus. Les spécificités de la thermique du bâtiment sont donc à bien connaître. L analyse de la situation et l interprétation des données doivent se faire au cas par cas: il faut souvent éviter d apporter une réponse immédiate à la simple lecture du thermogramme», souligne Bruno Berthineau. La grande précision des caméras thermographiques peut aussi receler certains pièges. Un défaut ponctuel comme la visserie des plaques de plâtre traversant la totalité de l isolant, par exemple, n est pas forcément très gênant car il n y aura pas d impact en terme de confort au niveau des occupants. En revanche, si le défaut d isolation concerne une surface plus importante, la paroi froide sera ressentie comme une source d inconfort. «De même, un pont thermique ne sera vraiment préoccupant que si le différentiel, mesuré depuis l intérieur de l habitation, dépasse les 2 C avec l ambiance et que l angle solide sous lequel il est vu par l occupant prend des proportions importantes», signale Bruno Berthineau. Il n existe pas à ce jour dans le secteur du bâtiment de certification des opérateurs utilisant une caméra thermographique infrarouge. Seule exception: les personnels assurant le contrôle des armoires électriques, dont la certification s appuie sur un référentiel basé sur le document technique Apsad D19 (2). «Pour l heure, il n existe que des formations de haut niveau: en physique du rayonnement au niveau universitaire, en pyrométrie optique et thermographie au Laboratoire national d essais (LNE) ainsi qu à l Institut de la thermographie, fondé par Dominique Pajani qui a rédigé en 1989 un ouvrage de référence sur le sujet (3). Les autres formations sont assurées par les fabricants, d où un potentiel risque de manque d indépendance», précise Bruno Berthineau. Pour les modèles «entrée de gamme», cette formation est simplement de type «prise en main» chez les distributeurs en regroupant plusieurs clients. «Pour accéder à une plus grande pertinence des interprétations de thermogrammes, une vraie formation est nécessaire afin de comprendre les principes de la thermographie et ainsi d en déduire les risques d erreurs d interprétation», précise Philippe 8 9 8 Compacte et légère, la caméra i5 permet facilement, en pointant et cliquant pour visualiser les émissions infrarouges de l environnement, d identifier des problèmes liés à une perte d énergie, une isolation manquante, des systèmes de climatisation inefficaces 9 Maison Passivhaus : si la caméra révèle quelques déperditions au niveau des raccords de menuiseries, le reste de la façade apparaît bien isolé. Photos Flir (2) Assemblée plénière des sociétés d assurances dommages. (3) D. Pajani: Mesure par thermographie infrarouge ADD Éditeur, 1989 (épuisé). Guérin, responsable produits de Testo France. «Il n existe pas actuellement en France de formation diplômante et l interprétation des thermogrammes est très variable en fonction des secteurs d activité. Le centre de formation agréé Testo permet sur un ou plusieurs jours, d acquérir une expérience propre à l application quotidienne de chaque client, et cela également pour les inspections électriques, avec des outils agréés CNPP», ajoute-t-il. «Quand on monte encore en gamme, il faut passer à une formation de type travaux pratiques sur deux jours avec, si nécessaire, une journée supplémentaire axée sur le fonctionnement du logiciel associé à la caméra. Ces formations sont adaptées aux différents métiers et produits concernés. Et pour les personnes se destinant à l expertise, une formation certifiante de niveau I, d une durée de cinq jours dans un de nos centres de formation, s impose», souligne Éric Biogeaud, responsable des ventes de Flir en France. «Un projet de certification des opérateurs, piloté par le LNE et Dominique Pajani, se profile à l horizon», confie Bruno Berthineau. «Pour le moment, il suffit de demander à la personne chargée d un diagnostic thermographique quel est son parcours professionnel et quelles sont ses références, en attendant qu il y ait une formation qualifiante ou une certification. Pour le bâtiment, mieux vaut une caméra thermographique de qualité moyenne dans les mains de quelqu un de compétent qu une caméra haut de gamme dans les mains d un néophyte», ajoute Bruno Berthineau. Des caméras par familles de métiers La plupart des caméras thermographiques actuellement sur le marché ont une excellente résolution thermique, de l ordre de 0,05 C. Au niveau de la résolution optique, elles commencent à 80 x 80 pixels, ce qui suffit pour des lectures à courte distance (moins de 3 mètres) mais reste un peu juste pour des applications courantes dans le secteur du bâtiment. Pour démocratiser ce type d équipement, Flir vient de faire passer sous le seuil symbolique des 1500 euros HT sa caméra i5. Pour avoir une vue d ensemble d une maison, ou pour identifier un problème à une distance plus élevée lorsqu il est difficile de s approcher de la zone à tester, il faudra passer à un modèle disposant d une résolution de 320 x 240 ou 640 x 480 pixels. Avec un investissement financier plus important, le nombre de réglages augmente, rendant ces modèles plus polyvalents (détection du point de rosée, alarme de défaut d isolation ). Un réglage manuel permet, par exemple, de réduire la gamme des températures mesurées. En sélectionnant une température minimale et une maximale, toute la gamme de couleurs se répartit entre ces deux extrêmes, d où une lisibilité encore améliorée. À cela s ajoute la possibilité de fusionner une image réelle à l image thermique pour en faciliter la lecture. Si on continue de monter en gamme, des appareils de mesure extérieurs peuvent communiquer leurs résultats à la caméra. Ainsi, par exemple, un thermohygromètre placé au centre de la pièce 58 QUALITÉ CONSTRUCTION N 123 NOVEMBRE / DÉCEMBRE 2010
enverra ses informations par Bluetooth à la caméra qui calculera automatiquement le point de rosée et l intégrera à l image et à son fichier numérique. Ce genre d appareil ressemble de plus en plus à un appareil photo numérique dont il reprend d ailleurs certaines fonctionnalités (possibilité d ajouter un grand angle ou un téléobjectif, GPS intégré, enregistrement de commentaires vocaux, ajout de dessins ou schémas aux images ). Ce type de matériel est plutôt destiné aux bureaux d études ou de contrôle qui en auront un usage quotidien et intensif. Sur la plupart des caméras, les images sont enregistrées sur une carte mémoire amovible similaire à celles employées par les appareils photos numériques. Sur l ordinateur sur lequel elles sont transférées, un logiciel spécifique, généralement développé et fourni par le fabricant de la caméra thermographique, permet de les exploiter selon certains critères programmés par le constructeur et l utilisateur. Cette première analyse est à la base de la rédaction du rapport de diagnostic. Signalons également que les grands réseaux de location s intéressent aux caméras thermographiques, et pas uniquement pour leur clientèle professionnelle. «Cela répond à un intérêt croissant des particuliers qui veulent vérifier par eux-mêmes si leur appartement ou leur maison a bien été isolé. Il s agit de matériels assez simples offrant un bon compromis performance/simplicité d emploi/robustesse», signale Éric Biogeaud. Ces appareils demandent peu d entretien : une simple révision tous les deux ans environ, ce qui permet également de mettre à jour leur «firmware» (logiciel de pilotage), si nécessaire. «Si on travaille en quantitatif et donc que la mesure des températures de surface doit rester précise, le matériel doit être contrôlé et étalonné tous les ans. On le confronte alors à un corps noir, dont l émissivité est proche de 1, pour établir une courbe d étalonnage qui est une fonction de transfert luminance/température en s appuyant sur les courbes de Planck (empilement de courbes iso-température suivant la loi de Wien, sur un graphique dont l abscisse est graduée en longueur d ondes et dont l ordonnée est graduée en luminances)», explique Bruno Berthineau. La plupart des fabricants et le LNE peuvent se charger de cette opération. Améliorer la résolution optique Les caméras thermographiques suivent de près les avancées techniques des appareils grand public que sont les appareils photos et caméras numériques. La résolution optique des caméras thermiques devrait donc encore progresser dans les mois et années à venir. Parallèlement, leur autonomie devrait s améliorer grâce à une moindre consommation énergétique et l emploi de batteries longue durée. Et à cela s ajoute une probable réduction de leur taille et de leur poids pour un meilleur confort d usage. Testo et Flir consacrent 15 % de leur chiffre d affaires à la recherche et au développement de nouveaux modèles, toujours plus simples à utiliser. «Mais pour vraiment les adapter aux besoins du client, cela demande en fait davantage de technique», précise Éric Biogeaud. Signalons enfin que la partie la plus coûteuse de ces appareils reste leur capteur au germanium, un métalloïde pour lequel aucun substitut plus économique n a pour l instant été trouvé. Pour le bâtiment, mieux vaut une caméra thermographique de qualité moyenne dans les mains de quelqu un de compétent qu une caméra haut de gamme dans les mains d un néophyte UNE CAMÉRA THERMOGRAPHIQUE POUR CHAQUE «ÉCO ARTISAN»? ENTRETIEN AVEC GABRIEL BAJEUX, DIRECTEUR TECHNIQUE DE LA CAPEB (1) La Capeb a créé l appellation «ÉCO artisan» pour identifier les artisans, membres ou non de la Capeb, qui ont des compétences en matière de maîtrise de l énergie et de développement durable, et ce, quel que soit leur métier. La preuve en est apportée par la formation qu ils suivent et un examen qui vise à s assurer de leur maîtrise des connaissances requises. C est un organisme extérieur, Qualibat, qui audite de manière neutre et impartiale les artisans. Ensuite, ils se doivent d apporter le bon conseil à leurs clients, ce qui est un «plus» dans leur métier, quitte à les orienter, si nécessaire, vers des confrères qui ont les spécialités complémentaires. Aujourd hui, les compétences de près de 4 000 «ÉCO artisans» ont déjà été reconnues, l objectif étant d atteindre les 11000 «ÉCO artisans» d ici la fin 2011. Pour évaluer les performances thermiques d un logement, il semble logique que «l ÉCO artisan» utilise une caméra thermographique infrarouge. «L idée est de démystifier l usage de ces matériels pour qu ils figurent dans la caisse à outils de chaque ÉCO artisan, au même titre que le marteau ou que, plus récemment, le télémètre laser. Nous avons déjà rédigé des tableaux récapitulatifs précisant pour chaque corps de métier les limites des matériels, afin de guider leur choix. Mais se pose encore le problème de leur coût Une des solutions envisageables est la mutualisation de ces appareils : un ÉCO artisan en achète un et le loue ponctuellement à des confrères qui s en servent plus occasionnellement. Nous essayons aussi de convaincre les fabricants qu ils vendraient quelques milliers d appareils chaque année plutôt que quelques dizaines si leur prix baissait de manière significative. Parallèlement, comme la partie délicate est l interprétation des résultats, nous avons demandé aux principaux fabricants la mise en place d une assistance en ligne dédiée, à laquelle l ÉCO artisan pourrait avoir recours pour envoyer des images présentant des difficultés particulières en matière d interprétation. Deux fabricants ont déjà donné leur accord.» Photo Testo (1) Capeb: Confédération de l artisanat et des petites entreprises du bâtiment 59