Ite isolation : Principes généraux de l’isolation thermique

Tous les matériaux d’isolation thermique fonctionnent selon un principe de base unique : la chaleur se déplace des zones chaudes vers les zones froides. Par conséquent, lorsqu’il fait froid, la chaleur de l’intérieur d’un bâtiment cherche à sortir.

Et par temps chaud, la chaleur de l’extérieur du bâtiment cherche à pénétrer à l’intérieur. L’isolation est le matériau qui ralentit ce processus. Les matériaux isolants phénoliques rigides, en uréthane rigide et en polystyrène extrudé contiennent de minuscules poches de gaz piégé. Ces poches résistent au transfert de chaleur. Elles n’arrêtent pas complètement la perte ou le gain de chaleur.

Les bâtiments, quelle que soit la qualité de leur isolation, ont besoin d’un apport continu de chaleur pour maintenir les niveaux de température souhaités. L’apport nécessaire sera beaucoup plus faible dans un bâtiment bien isolé que dans un bâtiment non isolé, mais il sera tout de même nécessaire.

ITE isolation : principes généraux

Transfert de chaleur

Avant d’aborder les principes de l’isolation, il est nécessaire de comprendre le mécanisme du transfert de chaleur. Lorsqu’une surface chaude est entourée d’une zone plus froide, la chaleur est transférée et le processus se poursuit jusqu’à ce que les deux surfaces soient à la même température.

Le transfert de chaleur s’effectue par une ou plusieurs des trois méthodes suivantes : conduction, convection et radiation.

Conduction

La conduction est le processus par lequel la chaleur circule par transport moléculaire le long ou à travers un matériau ou d’un matériau à un autre. Le matériau qui reçoit la chaleur est en contact avec celui dont il la reçoit.

La conduction a lieu dans les solides, les liquides et les gaz et d’un matériau à l’autre. La vitesse de conduction varie considérablement en fonction de la substance et de son état. Dans les solides, les métaux sont de bons conducteurs, l’or, l’argent et le cuivre étant parmi les meilleurs.

La gamme se poursuit vers le bas, en passant par les minéraux tels que le béton et la maçonnerie, le bois, puis les conducteurs les plus faibles tels que les matériaux d’isolation thermique. Les liquides sont généralement de mauvais conducteurs, mais cela est parfois masqué par le transfert de chaleur qui s’effectue par convection. Les gaz (l’air, par exemple) sont des conducteurs encore plus mauvais que les liquides, mais, là encore, ils sont sujets à la convection.

La convection

La convection se produit dans les liquides et les gaz. Pour qu’un solide perde ou gagne de la chaleur par convention, il doit être en contact avec le fluide. La convection ne peut pas se produire dans le vide. La convection résulte d’un changement de densité dans certaines parties du fluide, le changement de densité étant provoqué par un changement de température.

Le processus de convection qui se produit uniquement par le changement de densité est connu sous le nom de “convection naturelle”. Lorsque le fluide déplacé est accéléré par le vent ou par des moyens artificiels, le processus est appelé “convection forcée”. La convection forcée augmente le taux de transfert de chaleur, souvent de manière substantielle.

Convection dans les gaz

Si un corps chaud est entouré d’air plus froid, la chaleur est conduite vers l’air en contact immédiat avec le corps. Cet air devient alors moins dense que l’air froid plus éloigné. L’air chaud et léger est donc déplacé vers le haut et remplacé par de l’air froid et lourd qui reçoit à son tour de la chaleur et est déplacé de la même manière.

Un flux d’air continu, ou convection, se développe ainsi autour du corps chaud pour en extraire la chaleur. Ce processus est similaire mais inversé si de l’air chaud entoure un corps plus froid, l’air devenant plus froid lors du transfert de la chaleur au corps, et l’air étant déplacé vers le bas.

Convection dans les liquides

Des processus de convection similaires se produisent dans les liquides, bien qu’à un rythme plus lent en fonction de la viscosité du liquide. On ne peut cependant pas supposer que la convection dans un liquide entraîne la descente du composant le plus froid et la montée du composant le plus chaud. Cela dépend du liquide et des températures concernées.

L’eau atteint sa plus grande densité à environ 4°C. Par conséquent, dans une colonne d’eau, initialement à 4°C, toute partie à laquelle de la chaleur est appliquée montera vers le haut, mais, alternativement, si une partie est refroidie en dessous de 4°C, elle montera également vers le haut et l’eau relativement plus chaude coulera vers le bas. C’est toujours le haut d’un étang ou l’eau d’un réservoir qui gèle en premier.

Exigences d’un isolant

Pour être efficace en tant qu’isolant, un matériau doit limiter le flux de chaleur par l’une ou l’autre des trois méthodes de transfert de chaleur, et de préférence par les trois. La plupart des isolants réduisent de manière adéquate les éléments de conduction et de convection grâce à la structure cellulaire du matériau.

La composante de rayonnement est réduite par l’absorption dans le corps de l’isolant et est encore réduite par l’application d’une feuille brillante sur la face extérieure du produit.

Rayonnement

Le processus par lequel la chaleur est émise par un corps et transmise dans l’espace sous forme d’énergie est appelé rayonnement. Le rayonnement thermique est une forme d’énergie ondulatoire dans l’espace, similaire aux ondes radio et lumineuses.

Le rayonnement ne nécessite pas de milieu intermédiaire tel que l’air pour son transfert, il peut facilement se produire dans le vide. Tous les corps émettent de l’énergie rayonnante, dont le taux d’émission est régi par :

• La différence de température entre les surfaces rayonnantes et les surfaces réceptrices.
• La distance entre les surfaces.
• L’émissivité des surfaces. Les surfaces mates sont de bons émetteurs/récepteurs, les surfaces brillantes et réfléchissantes sont de mauvais émetteurs/récepteurs.

Il en va de même pour les installations – tuyaux, cuves et réservoirs contenant des fluides chauds (ou froids). S’il n’y a pas d’apport de chaleur pour compenser la perte par l’isolation, la température du fluide baissera. Un récipient bien isolé maintiendra la chaleur de son contenu pendant une période plus longue, mais il ne pourra jamais à lui seul maintenir la température stable.

 L’isolation thermique ne génère pas de chaleur. On croit souvent à tort que l’isolation thermique réchauffe automatiquement le bâtiment dans lequel elle est installée. Si aucune chaleur n’est fournie à ce bâtiment, il restera froid. Toute augmentation de température qui pourrait se produire sera le résultat d’une meilleure utilisation des gains de chaleur internes fortuits ou accidentels.

Inhibition de la convection

Pour réduire le transfert de chaleur par convection, un isolant doit avoir une structure de nature cellulaire ou à forte teneur en vides. Les petites cellules ou les vides inhibent la convection en leur sein et sont donc moins susceptibles d’exciter ou d’agiter les cellules voisines.

Inhibition de la conduction

Pour réduire le transfert de chaleur par conduction, un isolant doit présenter un faible rapport entre le volume solide et le volume vide. En outre, une matrice à paroi mince, une matrice discontinue ou une matrice d’éléments avec un minimum de contacts ponctuels sont toutes bénéfiques pour réduire le flux de chaleur par conduction. Une réduction de la conduction à travers les vides peut être obtenue par l’utilisation de gaz inertes plutôt que d’air immobile.

Inhibition du rayonnement

Le transfert de rayonnement est largement éliminé lorsqu’un isolant est placé en contact étroit avec une surface chaude. Le rayonnement peut pénétrer dans un matériau à cellules ouvertes, mais il est rapidement absorbé par la matrice immédiate et l’énergie est transformée en flux de chaleur conductif ou convectif.

Le rayonnement est également inhibé par l’utilisation de feuilles d’aluminium brillantes, soit sous forme de feuilles multi-corruguées, soit en tant que revêtement extérieur sur les isolants conventionnels.

Effets de la densité

La plupart des matériaux obtiennent leurs propriétés isolantes grâce à la teneur élevée en vides de leur structure. Les vides empêchent le transfert de chaleur par convection en raison de leur petite taille. Une réduction de la taille des vides réduit la convection mais augmente le volume du matériau nécessaire pour former la matrice la plus proche, ce qui se traduit par une augmentation de la densité du produit.

Une augmentation supplémentaire de la densité continue à inhiber le transfert de chaleur par convection mais, en fin de compte, l’avantage supplémentaire est compensé par l’augmentation du transfert par conduction à travers le matériau de la matrice et toute augmentation supplémentaire de la densité entraîne une détérioration de la conductivité thermique.

La plupart des isolants traditionnels sont fabriqués dans une gamme de densité faible à moyenne et chaque famille de produits présente sa propre relation spécifique entre la conductivité et la densité.

Un groupe particulier de produits, le groupe de maçonnerie isolante, est fabriqué dans la gamme des densités moyennes à élevées. Ils améliorent leur conductivité thermique en réduisant la densité.

FAQ / Ite isolation

•  Quels sont les principes de l’isolation ?

Tous les matériaux d’isolation thermique fonctionnent selon un principe de base unique : la chaleur se déplace des zones chaudes vers les zones froides. Par conséquent, lorsqu’il fait froid, la chaleur de l’intérieur d’un bâtiment cherche à sortir. Et lors des journées plus chaudes, la chaleur de l’extérieur du bâtiment cherche à pénétrer à l’intérieur. L’isolation est le matériau qui ralentit ce processus.

•  Quel est le principe de base et la construction de l’isolation ?

Les matériaux d’isolation sont généralement construits de manière à emprisonner l’air dans de petites poches à l’intérieur du matériau. L’air est un mauvais conducteur de chaleur et les poches sont si petites que l’air ne peut pas se déplacer, ce qui signifie que le transfert de chaleur par convection est minimisé.