Déphasage - inertie des matériaux isolants

[Mathieu.C]

Bonjour,

Concernant la prise en compte du phénomène de déphasage amené par les isolants, dans Pleiades Comfie j’ai pu voir que le sujet a déjà été abordé sur ce forum, et que P+C est censé prendre en compte ce phénomène, mais j’ai de gros doutes après avoir réalisé plusieurs tests :

Tout d’abord, dans le fichier pdf « Algorithmes » (disponible dans les fichiers d’installation), il est spécifié que : «Il n'y a jamais de maille dans les isolants, car leur capacité thermique est considérée comme négligeable par rapport à celle des autres matériaux : elle est alors ajoutée à celles des mailles adjacentes »

J’ai pu lire sur ce forum qu’un matériau est considéré comme un « isolant » lorsque son lambda est inférieur à 0.12 W/m.K.

J’ai donc réalisé 2 simulations sur une boite (dimensions 5*5*2.50m), sans ouvertures, ni apport (solaire ou interne), ni ventilation. La première simulation avec les parois constituées d’ un matériau ayant un lambda de 0.121 W/m.K (donc tout juste « non isolant » d’après la définition ci-dessus) , la seconde avec un matériau ayant un lambda de 0.119 W/m.K (donc tout juste « isolant »), et pour les deux matériaux : ro = 150kg/m3 ; Cp = 2000J/Kg.K.

La différence de résultats, pour ces deux matériaux donc quasi identiques, est énorme… dans la boite avec le matériau « isolant » les pics de températures ne sont pas du tout amorti, alors qu’avec le matériau « non isolant », on constate un déphasage de plusieurs heures, et un fort amortissement (4-5°C) des pics de températures…

J’en conclu que P+C ne considère pas, ou pas correctement, le phénomène de déphasage et d’inertie des matériaux isolants…

Lorsque l’on compare ces mêmes matériaux sur une « maison réelle » (avec apports solaires, internes, ventilation), la différence est certes, atténuée par ces phénomènes mais encore largement mesurable.

Ces conclusions vous paraissent elles cohérentes, pourriez-vous m’éclairer sur ce point ?
Merci pour vos réponses

Cordialement,

Mathieu. C

[olivir]

Bonjour Mathieu.C,

Le souci tient peut-être dans votre citation non ?!

Il n'y a jamais de maille dans les isolants, car leur capacité thermique est considérée comme négligeable par rapport à celle des autres matériaux : elle est alors ajoutée à celles des mailles adjacentes

Lorsque vous avez utilisé des parois constituées uniquement d'isolant, P+C ne peut ajouter la masse thermique de l'isolant aux matériaux non-isolant le plus proche, d'où un gros souci je présume. Vous n'avez pas eu un avertissement avant le calcul ?

Comme il est rare de construire uniquement avec un isolant (fut-il avec un λ≈0,12), j'imagine que votre cas est peu probable en pratique.

[Mathieu.C]

Excusez moi, j'ai oublié un détail sur la composition des parois, il n'est pas possible de n'avoir que de l'isolant sur les parois (message d'erreur lors du lancement de la simulation), j'ai donc un fermacell dans les deux cas en intérieur. (ce qui nous amène à un cas possible, une maison ossature bois avec un panneau de contreventement en intérieur par exemple...)

Cordialement,

Mathieu C

[olivir]

Bonjour,

J'ai fait une expérience analogue à la vôtre avec un enduit à l'extérieur, je trouve effectivement un décalage assez conséquent :



J'imagine que seul le laboratoire de B. Peuportier pourra justifier cela...

[Mathieu.C]

Merci d'avoir refait cette expérience !

Cela semble bien montrer que P+C prend en compte le déphasage de matériaux non isolants, mais prend mal en compte le déphasage des matériaux isolants...
Cette conclusion vous semble-t- elle correcte, ou il y a un explication à ce résultat?

cordialement

[olivir]

Je préfère attendre la réponse d'Izuba voire de l'École des Mines parce que je soupçonne qu'il y a derrière tout ça une hypothèse de calcul qui nous a échappée...

[Architecture NATURELLE]

La réponse sur ce point serait en effet très intéressante.
Notamment pour le domaine de la construction légère, où il peut arriver qu'un mur ne soit constitué pratiquement que d'isolant, c'est le cas de l'exemple que vous avez pris et que j'ai d'ailleurs déjà mis en oeuvre (fermacell contreventant+parepluie souple en extérieur : on ne peut pas faire plus compact). Mais c'est aussi le cas de la plupart des systèmes poteau-poutre + remplissage léger.
Or, aujourd'hui, de nombreux isolants présentent une masse et une chaleur spécifique non négligeable, surtout les isolants d'origine végétale. Ce n'était pas le cas il y a 15 ans, quand la laine minérale ou le polystyrène étaient utilisés dans 99% des cas. Qui plus est, la recherche de performance pousse à utiliser des épaisseurs d'isolants toujours plus importantes. L'impact de leur capacité thermique n'est donc plus du tout négligeable, même pour de la maçonnerie.

Un exemple : un mur constitué de plâtre 1cm+brique de 20 cm + 16cm de fibre de bois haute densité+enduit 1cm
Chaleurs massiques en Wh/m² :
Plâtre :4
Brique : 32
Isolant : 21
Enduit : 3

L'isolant apporte dans ce cas 35% du total. L'approximation semble donc ne plus être valide.
En revanche, si on remplace la fibre de bois par de la laine de verre à 25 kg/m3 (+ par exemple un panneau de parement extérieur ventilé, cas d'une isolation extérieure classique) l'isolant ne représente plus que 1%, on peut alors négliger son déphasage.

J'avais déjà noté le peu d'impact du changement d'isolant (densité ou type de matériau) sur le confort d'été dans P+C sur certains de nos projets à inertie moynne ou faible. Une fois achevés, les retours d'expériences semblent d'ailleurs confirmer que le confort d'été est meilleur que prévu.
La construction bois se développe maintenant très vite, et il serait fondamental de pouvoir évaluer finement l'impact de tel ou tel choix d'isolant sur le confort d'été.

J'attends moi aussi la réponse d'Izuba sur ce sujet. Savoir exactement comment est pris en compte le déphasage de l'isolant pourrait peut-être nous permettre de trouver un turn over au problème.
Je pense par exemple à dissocier les deux aspects : été et hiver. Pour se faire, il faudrait à la place de l'isolant utiliser 2 couches de matériaux distincts :
Matériau 1 : Lambda=0.12, une épaisseur égale à celle de l'isolant réel, mais une chaleur massique plus élevée permettant de compenser celle de l'isolant. Il faudrait dans ce cas que le produit (masse volumique*Cp/lambda) pour ce nouveau matériau tampon soit égal à celui de l'isolant qui sera réellement mis en oeuvre (même diffusivité)
Matériau 2 : lambda=0.01 (donc peu d'épaisseur nécessaire) masse nulle ou presque et/ou Cp faible, épaisseur permettant de compenser le déficit d'isolation engendré par le lambda plus faible du matériau 1. Le déphasage engendré est alors quasi nul.

La résistance thermique de cette paroi virtuelle est donc la même que celle de la paroi réelle, cela ne devrait que peu influer sur les résultats en hiver, en régime quasi statique

J'ai donc refait l'expérience de la boite (mêmes hypothèses que précédemment, 20 cm d'isolant lambda 0.04) en ajoutant à la pièce un thermostat d'hiver (15/10 au 15/4) de manière à évaluer l'impact de ce bidouillage sur les performances hivernales. J'ai comparé les deux solutions (isolant seul, et isolant découplé en deux couches)

Test-dephasage.jpeg (39.76 Kio) Consulté 27662 fois

En hiver, ça bouge très peu, les consommations de chauffage sont identiques à un pouillème près. En revanche en été, les surchauffes sont beaucoup plus fréquentes lorsqu'il n'y a que l'isolant seul.
Cela confirmerait donc qu'il y a un souci d'évaluation du confort d'été.

[olivir]

La question a été remontée auprès de l'École des Mines...

Il semble qu'il n'y ait aucun bug de calcul, ils planchent sur le maillage et la valeur de 0,12W/m.K.

[Mathieu.C]

Bonjour,

Si ces calculs ne comportent pas de bugs, on peut donc dire qu'actuellement, le déphasage des isolants est effectivement mal pris en compte sur P+C ?

Afin de prendre en compte le phénomène de déphasage et d'inertie d'un isolant, la méthode peut être, un peu comme l'a proposé Architecture Naturelle, de modéliser l'isolant grâce à deux couches de matériaux : le premier avec un lambda supérieur à 0.12, et un ro Cp assez élevé, le second avec un lambda très faible afin d'arriver à une valeur isolante suffisante. Avec la somme des deux couches ayant les mêmes propriétés (U, déphasage, Capacité thermique) que la couche d'isolant seule...

Cette méthode vous semble -t elle correct?

Merci
Cordialement.

[Architecture NATURELLE]

Oui, ça me parait pas mal.

Et effectivement, le confort d'été semble mal évalué par P+C aujourd'hui et ne pas coller avec les observations faites dans le monde réel mais dans certains cas seulement.
Les cas qui semblent logiquement mal évalués sont cependant assez précis => parois légères, sans matériaux inertiels rapportés avec lambda>0.12, et remplissage avec un isolant dense à forte chaleur spécifique. Typiquement, ossature bois+laine de bois (ou cellulose, chanvre, liège...) avec parements légers.
En revanche, ossature bois+laine de verre sera sans doute assez bien évalué.

Attendons le retour de l'Ecole des Mines pour en savoir plus.

[olivir]

Le plus sage reste d'attendre la réponse de l'École des Mines, je crois aussi...

En fait, pour gagner en rapidité de calcul - à une époque révolue - il avait été mis en place une simplification des mailles pour un λ<0,12. Si cela se trouve, cette simplification est devenue inutile sur nos machines d'aujourd'hui et la supprimer corrigerait le problème.

En tout cas, on voit clairement que cette valeur constitue un seuil pour l'inertie du bâtiment, en utilisant le mauvais isolant dense de Mathieu :

[Nicolas]

Il faut peut-être relativiser. Dans votre exemple de boîte vous prenez le cas critique où seul les transmissions dans les parois impactent la Tint.

En réalité, avec des apports internes et solaires, l'inertie de transmission dans les parois a peu d'impact comparé à l'inertie intérieure (y compris face interne des parois ext).
La question est peut-être plutôt la méthode de discrétisation spatiale face intérieur des murs pour bien gérer les variations d'apports intérieurs au bâtiment, et donc leur impact sur la Tint. Là je crois que le maillage Comfie s'affine côté intérieur des parois justement pour gérer cela.

Bon après, c'est vrai qu'avec leur 3 mailles dans une paroi on peut considérer qu'il en manque un peu, 4 serait mieux, voire 5 le top, mais c'est peut-être pas à la hauteur d'autres choix de simulation comme celui de savoir sur quelle paroi sont apportés les apports solaires, gros débat ici...

Et rappelez vous : sur une paroi, plus on isole, et moins l'inertie de transmission a d'impact... On déphase beaucoup quand on a 5 cm d'isolant, mais quand il y en a 30 cm il ne reste plus grand chose à déphaser...

[Architecture NATURELLE]

>>En réalité, avec des apports internes et solaires, l'inertie de transmission dans les parois a peu d'impact comparé à l'inertie intérieure (y compris face interne des parois ext).
C'est souvent vrai, mais cela peut aussi devenir très faux dans certains cas, notamment si l'isolant, constituant principal des parois dans le cas de constructions à ossature bois, a une forte capacité thermique.
Exemple : Fermacell (lame d'air)+OSB+16cm de laine de bois 60kg/m3+parepluie souple (négligé)
Fermacell : temps de transfert 0.6 h
OSB : temps de transfert 0.7 h
laine de bois : 6.6 h
Donc la laine de bois est très largement dominante.
Si on la remplaçait par une laine de verre premier prix, elle apporterait quand même 2h.

Evidemment, dès lors qu'on se place dans le cas de murs en maçonnerie+isolation, l'impact relatif de l'isolant est bien moindre.

>>Et rappelez vous : sur une paroi, plus on isole, et moins l'inertie de transmission a d'impact... On déphase beaucoup quand on a 5 cm d'isolant, mais quand il y en a 30 cm il ne reste plus grand chose à déphaser
Là je ne comprends pas, désolé...
Précisément, cela dépend de la nature de l'isolant. Une paroi constituée de 30 cm d'un isolant à très faible capacité thermique, et de pratiquement rien d'autre, montera très vite en t°. Et le flux thermique ext vers int en fin de journée sera alors loin d'être négligeable. C'est pour ça qu'il serait intéressant que Pléiade évalue de plus près ce qui se passe dans l'isolant, de manière à mieux prendre en compte l'amortissement de l'onde de chaleur.

[olivir]

Comme le dit Nicolas, il faut relativiser, on se situe bien dans le cas particulier d'un bâtiment sans aucune paroi lourde mais avec 6 façades légères constituées d'un mauvais isolant dense ! D'ailleurs vous noterez qu'on a un besoin de chauffage supérieur à 120 kWh/m²/an, qui reste supérieur à 80 même avec un mur d'un demi-mètre, ce qui rend cette cellule-test peu probable tout de même...

Cependant, c'est vrai que le succès de la construction légère paille/chanvre/mortier lié avec des végétaux peut faire craindre que quelques rares simulations se retrouvent théoriquement dans ce cas limite. Je n'ai pas encore rencontré la cas pour ma part :/

[Nicolas]

>>Et rappelez vous : sur une paroi, plus on isole, et moins l'inertie de transmission a d'impact... On déphase beaucoup quand on a 5 cm d'isolant, mais quand il y en a 30 cm il ne reste plus grand chose à déphaser
Là je ne comprends pas, désolé...

Bilan à travers une paroi :
Qtransmis = Qreçu * alpha * ( Ue / he ) avec alpha le coef d'absorption solaire extérieur de la paroi.

L'inertie de transmission n'impacte que le déphasage et l'amortissement, pas la quantité totale d'énergie transmise. (à epsilon près)

Un rapide calcul donne :
1 m² de fenêtre transmet autant d'énergie "sur une journée" que :
- 55 m² de paroi avec 30 cm d'isolant
- 35 m² de paroi avec 20 cm d'isolant
- 18 m² de paroi avec 10 cm d'isolant

Donc avec 30 cm d'iaolant c'est plus rentable de mettre un bonne protection solaire extérieur au Velux que de la densité dans l'isolant. Désolé pour les arguments des isolants écologiques et pour la bien connue expérience qu'on voit sur les salons (iso laine mnérale à côté de iso éco dense, avec lampe dessus et capteur T dessous) où en mettant en évidence le déphasage et l'amortissement on essaye de démontrer la protection solaire.

Le cas qui marche bien, c'est quand peu isolé, l'inertie de transmission permet de ne pas cumuler au même moment de la journée apport par fenêtres et apports par parois.