La rénovation des combles: comment conjuguer

La rénovation des combles: comment
conjuguer performance énergétique et confort?
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Novembre 2010
Introduction
L’aménagement des combles
est une opération qui peut être
relativement simple, quand le
grenier existant dispose déjà
d’une hauteur de toit suffisante.
Cependant, dans certain cas on
peut envisager également une
restructuration complète de la
charpente, afin de dégager un
espace habitable. Dans ce dernier
cas on pourra appliquer les règles
de constructions relatives aux
bâtiments neufs.
Mais revenons au cas où la
charpente existante ne sera
éventuellement modifiée que pour
l’installation de fenêtres de toit.
Dans ce cas les travaux à effectuer
peuvent se limiter uniquement
à l’aménagement intérieur, ou
éventuellement à la réfection de la
toiture si nécessaire.
La toiture est la partie de
l’enveloppe du bâtiment qui est la
plus exposée aux aléas du climat.
En effet, elle doit jouer le rôle de
manteau en hiver, de parasol en
été, et de parapluie toute l’année.
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Il est donc primordial que sa
construction puisse répondre à
tous ces types de contraintes fort
différentes.
L’aménagement d’un espace de
vie dans les combles, demande
également que celui-ci puisse offrir
les mêmes conditions de confort
que dans le reste du bâtiment.
Cependant ce n’est pas toujours
le cas. Il est souvent reconnu
que des combles aménagés
restent des espaces chauds et
inconfortables en été.
Le sujet de cet exposé se limitera
donc principalement aux aspects
physiques et pratiques de la
rénovation ou de l’aménagement
de combles. Plus spécifiquement,
la performance énergétique et
hygrothermique sera analysée
sous différents aspects.
2
L’enjeu énergétique
L’isolation thermique
•L
’aspect hygrothermique
Dans une maison individuelle non
isolée, la toiture compte pour 25 à
30 % des déperditions de chaleurs.
Dans une maison isolée, la toiture
ne compte plus que pour 10%.
Le risque potentiel en créant
l’étanchéité est celui lié à la
gestion de l’humidité. Ce problème
est souvent mentionné par les
architectes, comme celui d’un
problème de sur isolation.
(suivant RT2005). De manière
similaire la part due aux infiltrations
d’air passe de 25 à 15 %. Cette
forte amélioration tient du fait
que la toiture est en générale une
structure en bois, donc plus facile à
isoler qu’une structure massive.
Le problème revient donc à
minimiser les transferts de
chaleur au travers de la toiture.
Ceux-ci peuvent se décomposer
en 2 parties. On a d’une part les
transferts par transmission aux
travers des matériaux, et d’autre
part les pertes par infiltrations
d’air. Ces dernières peuvent
être relativement importantes si
une attention particulière n’est
pas apportée à l’étanchéité de
l’enveloppe.
• L’étanchéité à l’air
Une bonne isolation thermique ne
pourra fonctionner correctement
que si elle est étanche à l’air.
En effet les effets du vent,
principalement en hiver, viendront
réduire à néant leur performance si
cette condition n’est pas remplie. Il
est dès lors recommandé d’utiliser
des membranes de part et d’autre
des isolants thermiques afin de
garantir l’étanchéité. En pratique on
utilisera du coté tuile un écran de
sous toiture, perméable à la vapeur
d’eau (HPV), et un pare vapeur côté
intérieur. L’utilisation de bandes
adhésives, butyle, et mastique sont
recommandés pour une parfaite
étanchéité aux infiltrations d’air.
L’attention au détail, lors du
design et de l’installation,
est primordiale pour garantir
l’étanchéité
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On a d’une part le risque de
condensation interstitielle qui
pourrait se produire en hiver du
côté froid de l’isolant. Celui-ci est
lié à la diffusion de la vapeur d’eau
vers l’extérieur, du fait du gradient
de pression qui est relativement
important en hiver. Le rôle du pare
vapeur est primordial pour éviter
ce problème, et son usage est
maintenant réglementé dans un
DTU. L’utilisation d’écran de sous
toiture HPV joue également un rôle
pour éviter ce problème. En effet
si le rôle principal de l’écran est
celui de pare pluie et pare vent, sa
très haute perméabilité à la vapeur
d’eau permettra à d’éventuelles
fuites au travers du pare vapeur
d’être évacuée sans risque de
condensation. La combinaison d’un
écran de sous toiture à très haute
perméabilité avec un pare vapeur,
permettra un séchage continu
de la charpente en toute saison.
L’utilisation de pare vapeur à
perméabilité variable ne se justifie
pas vraiment, puisque de toute
façon, le gradient de pression de
vapeur d’eau entraine l’humidité
vers l’extérieur, et donc la structure
sèche au travers de l’écran de sous
toiture (HPV) et non du pare vapeur.
Celle-ci peut être mécanique
(VMC) comme imposée par
la réglementation pour les
nouvelles constructions. Une
bonne ventilation passive pourra
également bien fonctionner:
grilles dans les fenêtres de toit ou
extraction mécanique éolienne.
En général l’installation d’une
ventilation double flux, avec
récupération de chaleur ne se
justifiera pas pour l’aménagement
d’un comble.
L’aspect hygrothermique
est relativement important à
comprendre car il peut mener
à différentes pathologies:
moisissures, mauvaise qualité de
l’air, dommage structurel,…etc
Si la construction doit être
bien étanche à l’air et bien
isolée, elle doit par contre être
également bien ventilée.
D’autre part, on a le problème de
gestion de l’humidité à l’intérieur.
Ce dernier peut provoquer des
problèmes bien connus comme
des taches noires dans les coins,
là où la température est plus
basse. En effet, en se rapprochant
du point de rosée, on favorise
la croissance de moisissure. La
solution à ce problème est simple:
une bonne ventilation contrôlée, et
une attention particulière à corriger
les ponts thermiques.
3
Les isolants thermiques
Lors d’un projet de rénovation
on est en général confronté avec
un bâti existant auquel on veut
rapporter de nouveaux éléments
comme une isolation thermique.
La performance énergétique de
l’isolant est souvent envisagée
sous l’aspect hivernal, qui peut
se caractériser par des conditions
relativement stationnaires. Dans ce
cas on calculera la transmittance de
la paroi en fonction de la conductivité
thermique de ces éléments.
Dans un projet de rénovation, on
n’est en général pas contraint pas
des valeurs «u» à respecter. Dans
le cas d’une rénovation où le but
est d’atteindre une certaine classe
de performance énergétique, afin
d’obtenir des subventions, on
calculera au préalable le coéfficient
«u» nécessaire pour atteindre cette
classe.
On choisira l’isolant en fonction de
l’espace disponible. Dans certains
cas on devra tenir compte
également de la performance
acoustique, ce qui dirigera déjà
le choix vers un isolant plutôt de
type non rigide. Si la charpente
est relativement épaisse on pourra
simplement remplir l’espace entre
chevron, sinon on procédera à la
pose de 2 couches croisées en
utilisant une structure métallique
additionnelle pour décaler le plan
de pose des plaques de parement
intérieur (placo).
Transmittance paroi
0.8
0.7
— 0.025 W/m.K
— 0.032 W/m.K
— 0.04 W/m.K
U (W/m2.K)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
épaisseur
250
300
350
Le confort d’été et d’hiver
La notion de confort, bien que
subjective peut quand même
être quantifiée. Dans le cas d’un
bâtiment, il est lié à différents
paramètres comme la qualité de
l’air, la luminosité, la vitesse de
l’air ambiant (courant d’air), et les
températures de parois et de l’air.
La luminosité dépendra des
surfaces et orientation des
fenêtres. Celle-ci sera définie en
fonction du mode d’habitation
envisagé: espace de travail, de
repos,… etc. L’ajout de systèmes
d’occultation pour l’été, sera à
envisagé si les ouvertures sont
importantes.
Cependant pour le confort, le
paramètre le plus important est la
température perçue, qui résulte
de celle des parois et de l’air
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ambiant. En général, l’être humain
se sent bien entre 20 et 25 degrés.
Pour l’hiver une bonne isolation
étanche au vent, et un chauffage
bien dimensionné permettront de
garantir une température constante
dans la plage de confort.
plus la toiture. En été le bâtiment
est soumis à une sollicitation
périodique caractérisée par des
écarts importants de températures.
Typiquement on observe des écarts
en toiture, de 50 degrés en plein
midi, à 15 degrés en fin de nuit.
Le bâtiment est en mode de
déperdition constant, car la
température extérieure est
toujours inférieure à la température
ambiante. Le confort dépendra
alors simplement de la qualité du
contrôle du chauffage mis en place.
Pendant l’été le bâtiment se
réchauffe la journée, et se refroidit
la nuit. Ce mode est en général en
équilibre à l’inter saison, et permet
de se passer de chauffage. En plein
été, il peut y avoir un déséquilibre
défavorable, qui conduit à
un problème de surchauffe
principalement dans les combles.
En été, c’est plus compliqué,
surtout sous la toiture. En effet,
à la différence de l’hiver, le soleil
est beaucoup plus présent, et la
température extérieure plus élevée.
Par ailleurs le rayonnement solaire
est plus vertical, et impacte donc
Une isolation thermique
suffisante en hiver pourra quand
même amener un problème de
surchauffe en été.
4
Le role de l’inertie thermique
Introduction
Le mode de sollicitation extérieur
est le cas le plus simple à traiter.
En pratique, une bonne isolation
thermique suffira à réduire les
fluctuations. Au cas où celle-ci
serait faible, l’ajout de matériau
apportant de l’inertie pourra aider
de manière significative.
Le mode intérieur est plus
compliqué car les sollicitations
peuvent être plus complexes. Il peut
s’agir d’action contrôlée comme le
chauffage ou le refroidissement,
aléatoire comme le rayonnement
solaire au travers des fenêtres, le
taux d’occupation des pièces, ou
le fonctionnement d’équipement
dégageant de la chaleur.
La complexité vient également
du fait que l’apport de chaleur
peut se disperser de différentes
manières: absorption dans les
parois intérieures, ou transport
dans la ventilation. Le cas de la
ventilation est bien connu, puisque
utilisé de manière extensive par
les systèmes de climatisation.
Cependant l’inertie des parois joue
également un rôle important en
absorbant cette chaleur, si possible
avec une faible augmentation de
température, afin de maintenir
la température ambiante dans la
plage de confort désirée.
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Transmittance (périodique) suivant ISO13786
0.7
— U (LV)
— Up (LV)
— Up (LV +5mm PCM)
0.6
U (W/m2.K)
Dans le cas de combles aménagés,
les sollicitations pourront venir de
l’extérieur (ensoleillement sur la
toiture) ou de l’intérieur (effet de
serre au travers des fenêtres).
Par exemple l’ajout d’un matériau à changement de phase derrière
l’isolant aura un impact relativement important sur la transmittance
périodique, pour des faibles épaisseurs.
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
épaisseur (mm)
400
500
600
En se basant sur la norme ISO EN 13786 on peut calculer les
paramètres dynamiques des matériaux: le coéfficient de transmittance
périodique, le déphasage, et l’amortissement de l’onde de chaleur.
Ces paramètres permettent d’évaluer la performance thermique de
l’enveloppe, et en particulier de la toiture, pour un comble. Le facteur
d’amortissement représente la performance d’une isolation par rapport
à une sollicitation périodique, telle que l’on a en période estivale.
On peut voir sur la courbe ci-dessous que l’ajout d’un panneau de
MCP, en combinaison avec un isolant traditionnel, permet d’améliorer
significativement l’amortissement de l’onde de chaleur, surtout pour
des épaisseurs inférieur à 50 cm.
Facteur d’amortissement suivant ISO13786
1
0.9
amortissemet
Le rôle de l’inertie thermique est
de stabiliser les fluctuations de
température générées par les
sollicitations thermiques exercées
sur ou dans le bâtiment.
— LV
— LV +5mm PCM
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
épaisseur (mm)
400
500
600
Les transferts de chaleur entre l’air
ambiant et les différentes parois
sont complexes et demandent
en général de passer par des
calculs de simulation dynamique
afin de les estimer. Des logiciels
commerciaux comme, Pleiade,
TAS, ou Codyba permettent ce
type de calcul.
5
Impact sur la performance énergétique
Si l’inertie thermique peut
améliorer le confort intérieur en
contrôlant l’impact des gains
solaires, elle va également jouer
un rôle en réduisant les besoins en
chauffage ou en refroidissement.
En effet l’énergie excédentaire
absorbée la journée par l’inertie
des matériaux utilisés, pourra être
récupérée la nuit (période hivernale
- inter saison), ou extraite la nuit par
un système de refroidissement qui
sera plus performant qu’en pleine
journée (période estivale). Dans
certains cas, on pourra envisager
de remplacer l’installation de
systèmes de conditionnement
d’air par une combinaison
adéquate d’inertie thermique et de
refroidissement passif nocturne.
Typiquement l’inertie peut apporter
jusque 15% d’amélioration dans le
bilan énergétique.
Les matériaux à changement de phase
Afin de pouvoir les utiliser
simplement dans la construction,
il fallait encore inventer un moyen
simple et performant pour les
encapsuler. L’encapsulation
moléculaire, inventée et brevetée
par Dupont de Nemours, a permis
de rendre cette technologie
performante et simple d’un point
de vue constructif.
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La courbe d’enthalpie ci-dessous permet de mesurer la quantité
d’énergie nécessaire pour faire passer le mélange polymère-cire
Energain d’une température à l’autre.
®
Enthalpy Energain (RT21)
250
200
Enthalpy (j/gr)
L’intérêt pour ces matériaux
provient du fait qu’ils absorbent
une grande quantité de chaleur
pour passer de l’état solide à l’état
liquide. C’est ce que l’on appelle
la chaleur latente de fusion. Ce
processus étant réversible, on
peut donc envisager de les utiliser
comme réservoir temporaire
d’énergie.
150
100
50
0
0
10
20
Température (deg. C)
30
40
6
Exemples d’applications
Le panneau de matériau à
changement de phase se présente
sous la forme d’une plaque qui fait
1.2 m X 1 m X 5 mm.
On a évalué par mesure et par simulation la performance apportée par
les plaques Dupont Energain dans un comble aménagé avec une
fenêtre de toit.
La plaque s’installe aussi
simplement qu’une plaque de
plâtre, avec des vis sur un support
continu ou discontinu. (voir photo)
On peut voir d’après les résultats de mesures, que le comble construit
avec les plaques de MCP, reste plus frais jusqu’à des réductions de 7
degrés.
TM
®
Conclusions
Une bonne rénovation apportera performance et confort. Les points importants à traiter sont l’étanchéité à
l’air, l’isolation thermique, et sans oublier la ventilation.
L’apport d’inertie thermique, par l’utilisation de MCP, permet d’améliorer de manière significative la performance thermique d’été, et surtout d’éviter des surchauffes. A la mi saison les MCP permettront d’optimiser
l’utilisation des gains solaires, et donc de réduire les besoins énergétiques.
 Jacques Gilbert, Marketing Manager Energy management, DuPont Building Innovations
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