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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Septième partie. Usages de l'énergie et efficacité énergétique

5. Efficacité énergétique des bâtiments : l’isolation thermique, les nouveaux matériaux

Hervé Arribart

Texte intégral

1Dans un pays comme la France, le bâtiment est le principal secteur consommateur d’énergie : il représente 45 % de la consommation totale. Sur ces 45 %, plus des trois quarts en moyenne proviennent du chauffage et de la climatisation. On considère qu’entre 50 % et 75 % de cette dépense énergétique pourrait être économisée si les bâtiments étaient tous correctement isolés. Au total, le potentiel de gain d’énergie que pourrait apporter l’isolation thermique des bâtiments avoisinerait donc les 20 % de la consommation totale d’énergie, ce qui est énorme. L’efficacité énergétique des bâtiments est donc devenue un enjeu majeur de la politique énergétique nationale et européenne. Des normes et réglementations ambitieuses concernant le bâtiment neuf et la rénovation de l’ancien entrent ainsi progressivement en vigueur.

2Les technologies d’isolation thermique progressent beaucoup depuis deux décennies ; des matériaux nouveaux sont mis en œuvre pour améliorer les performances d’isolation. Les solutions sont bien sûr différentes pour l’isolation des parois opaques (murs, toit) et pour l’isolation des ouvertures (fenêtres, portes vitrées).

L’isolation thermique des parois opaques

3Pour isoler, il faut mettre en œuvre des solutions et des matériaux qui limitent le transfert thermique entre l’intérieur et l’extérieur. De façon générale, le transfert de chaleur entre deux parois, l’une froide, l’autre chaude, se fait par la superposition de trois mécanismes : la conduction thermique*, la convection* et le transfert radiatif.

4Les matériaux isolants traditionnels sont dits « bi-phasiques », c’est-à-dire constitués d’un solide et d’un gaz (en général l’air). La conduction thermique d’un solide (s’exprime en W/m. K : énergie transportée par unité de longueur pour une différence de température de 1 degré Kelvin) dépend de la nature de ce solide ; elle est plus faible pour un solide isolant que pour un métal, ce qui explique le choix du verre ou des polymères. Pour minimiser la conduction à travers le solide, on utilise ces matériaux sous forme divisée : verre sous forme de fibres (laine de verre), polymères sous forme de mousse. Ils sont donc principalement constitués d’air, ce qui introduit deux contributions au transfert thermique : la conduction en phase gazeuse et la convection. Du fait de la présence de la phase solide, qui freine les flux d’air, la convection est très limitée. Le transfert radiatif se fait par émission-absorption-réémission du rayonnement infrarouge* de longueur d’onde correspondant au maximum d’émission d’un corps à température ambiante, aux alentours de 10 microns, de proche en proche à travers le matériau. Le transfert radiatif est d’autant plus faible que la quantité de phase solide est importante, car celle-ci « écrante » en partie le rayonnement.

5Au total, pour un choix de matériau poreux donné, il existe une densité volumique optimale conduisant à la conduction thermique globale minimale. Pour la laine de verre, cet optimum est atteint pour une densité de 55 kg/m3 et la conductivité thermique globale vaut environ 32 MW/m. K. La contribution principale à cette conductivité vient de la conduction thermique dans l’air. Il en est de même dans les mousses de polymères.

Deux vues au microscope électronique d’un matériau super-isolant à base de silice pyrogénée dont les grains font environ 10 nanomètres et les pores quelques dizaines de nanomètres. © EDF 2012

6Pour progresser, c’est donc sur la conduction en phase gazeuse qu’il faut jouer. La meilleure solution consiste à diminuer la conductivité de l’air en limitant le libre parcours moyen des molécules. C’est en effet par les chocs entre elles que les molécules transmettent la chaleur, et la transmission de l’énergie d’agitation thermique* d’une molécule à l’autre est considérablement diminuée suite aux chocs des molécules contre les parois solides. Pour que cette démarche soit efficace, il faut que la distance moyenne entre parois devienne inférieure au libre parcours moyen des molécules dans l’air à pression ordinaire, soit à 68 nanomètres. La solution réside donc dans l’élaboration de matériaux nanoporeux* : nanofibres ou mousses à pores de dimension nanométrique. Les aérogels représentent une catégorie de tels matériaux : ce sont des mousses de silice ou de polymère semblables à un gel où la phase liquide est remplacée par l’air. Ils peuvent être extrêmement légers, d’une densité d’à peine 1 kg/m3, et présentent une conductivité thermique d’une dizaine de mW/m. K. Seulement, les aérogels sont coûteux à produire car leur séchage à partir de la phase liquide demande un procédé particulier pour éviter que les forces capillaires* ne fassent s’écrouler la nanostructure solide. Le procédé le plus courant est le séchage en fluide supercritique*. Beaucoup de travaux sont en cours pour trouver des procédés d’élaboration d’aérogels moins coûteux ou pour trouver d’autres alternatives, comme celle présentée sur la figure ci-dessus.

L’isolation thermique des parois vitrées

7Pour les parois vitrées, l’introduction du double vitrage, qui limite considérablement les pertes par convection, a marqué un premier progrès très significatif. On introduit en général à l’intérieur du double vitrage un gaz de conductivité thermique plus faible que l’air, comme l’argon, de façon à limiter le transfert par conduction gazeuse. Reste donc la part radiative, qui demanderait, pour être éliminée, l’utilisation d’un matériau réfléchissant le rayonnement dans le domaine infrarouge thermique, c’est-à-dire pour les longueurs d’onde voisines de 10 microns, ce qui est la caractéristique des métaux. Mais, il faut assurer la transmission dans le spectre visible. La solution qui a été développée par les verriers est l’utilisation d’une couche de métal très mince déposée sur la surface du verre. En effet, pour une épaisseur d’environ 20 nanomètres, la couche de métal laisse passer la lumière visible tout en réfléchissant convenablement le rayonnement infrarouge. Le métal utilisé est en général l’argent, car c’est lui qui présente le meilleur compromis entre transparence dans le visible et réflexion dans l’infrarouge. Par ailleurs, il est neutre sur le plan de la colorimétrie, contrairement au cuivre et à l’or qui présentent des couleurs rouges ou jaunes en réflexion.

8Il est intéressant de noter que dans les deux cas (parois opaques et parois vitrées), c’est le recours aux nanotechnologies et aux nanomatériaux qui permet de résoudre un problème qui se présente à une échelle on ne peut plus macroscopique.

Bibliographie

Références bibliographiques

• G. PORCHER et D. HERNOT – Thermique appliquée aux bâtiments, EPIDA, 1994.

• Aérogels de silice : www.youtube.com/watch ?v =_ cjAlSegSVI

Table des illustrations

Légende Deux vues au microscope électronique d’un matériau super-isolant à base de silice pyrogénée dont les grains font environ 10 nanomètres et les pores quelques dizaines de nanomètres. © EDF 2012
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11130/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 633k

Auteur

Physicien, Membre de l’Académie des Technologies, Professeur à l’ESPCI, LPEM, Paris.
herve.arribart@espci.fr

© CNRS Éditions, 2013

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