Pour ressentir un état de bien être l'Homme a besoin de vivre à une température voisine de 20°C. Hors l'hiver la température extérieure en France est en dessous de cette température de confort. Les bâtiments doivent être chauffés pour apporter cette température de confort.

Une fois qu'un bâtiment a été chauffé à la température de confort, on pourrait imaginer que le bâtiment garde cette chaleur. Mais il apparait l'inverse. Même complètement hermétique la chaleur de dissipe. Ce phénomène est invisible, mais la chaleur quitte le bâtiment vers l'extérieur. La chaleur circule donc au travers les matériaux qui constituent les parois du bâtiment. Ce phénomène est appelé "échange thermique".

En conséquence, il apparait nécessaire d'entretenir le chauffage du bâtiment pour maintenir la température de confort en compensant les pertes de chaleur du bâtiment.

Trois questions se posent. Qu'elle est l'importance de ses pertes? Comment limiter ces pertes? Qu'elle quantité de chaleur doit apporter le chauffage pour les compenser?

L'étude thermique du bâtiment répond à ces trois questions. Les exigences de limitation des pertes de chaleurs sont encadrées par une Réglementation Thermique RT2000 réactualisée par la réglementation RT2005. En effet, afin de limiter la consomation d'énergie, il faut agir sur la limitation des pertes d'énergie de chaleur du bâtiment.

En somme, l'isolation thermique du bâtiment consiste à préserver le confort thermique en limitant les pertes de chaleur et en limitant ainsi l'utilisation d'énegie de chauffage pour compenser ces pertes.

Comment une paroi peut-elle perdre de la chaleur?

La mise en présence de deux corps à des températures différentes engendre un échange thermique: le plus chaud se refroidi et le plus froid se réchauffe jusqu'à ce que les températures soient identiques. D'une façon générale il est à retenir que le corps le plus chaud cède de sa chaleur au plus froid. Dans un bâtiment l'intérieur chaud cède sa chaleur à l'extérieur froid au travers les parois et les ouvertures.

Ces echanges thermiques se décomposent selon trois phénomènes distincts.

Mais sans contact la chaleur peut aussi se transmettre. L'échange thermique peut se faire indirectement par l'air ou un fluide. L'air circulant le long d'un corps plus chaud se charge de sa chaleur. Le corps chaud cède de sa chaleur à l'air. L'air va transporter et véhiculer la chaleur emmagasinée. Elle peut le céder à son tour à un autre corps. Ce phénomène est appelé convection. Une paroi de bâtiment se charge de la chaleur de l'air d'une pièce chaude en intérieur et se décharge de chaleur au passage de l'air en extérieur.

Le phénomène de convection nécessite la présence d'air ou d'un fluide. L'air chaud monte et l'air foid descend.

Enfin un corps est capable de perdre de sa chaleur à distance. c'est le cas du soleil dont nous ressentons la chaleur sans pour autant le toucher et sans échange avec l'air. Ce phénomène d'échange thermique est appelé rayonnement. Ce rayonnement est une onde infra rouge. Un mur rayonne également sa chaleur. Nous pouvons ressentir aisément à distance la chaleur d'un mur chaud un soir d'été. De même en hiver, le mur cède sa chaleur en la rayonnent sur l'extérieur .

En somme une paroi de bâtiment se refroidi en cèdant sa chaleur sur l'extérieur par une combinaison de trois phénomènes: la convection(1), le rayonnement(2) et la conduction(3).

A la surface intérieure de la paroi les phénomènes de convection et de rayonnement charges la paroi en chaleur. A l'intérieur de la paroi, cette chaleur circule par conduction. Enfin à la surface extérieur de la paroi la chaleur se transmet à l'extérieur par convection et par rayonnement.

La chaleur circule dans la paroi par conduction. De quoi dépend ce phénomène et qu'elle est son importance ?

Selon le point de vue où l'on se place, le matériau conduit la chaleur en la perdant ou résiste à la perdre. La conductivité thermique est la capacité à transmettre la chaleur et la résistance thermique, la capacité du matériau à préserver la chaleur. L'un est l'inverse de l'autre.

Selon leur nature les matériaux n'ont pas la même capacité à conduire la chaleur ou à la retenir. En effet un vitrage perd plus facilement la chaleur qu'un mur en bois. Une porte en acier perd plus facilement la chaleur qu'une porte en bois. Autrement dit la chaleur circule mieux dans l'acier que dans le bois.

Le phénomène de la conduction, l'analogie avec le trafic routier.

La chaleur circule dans le matériau, comme des voitures sur une route. La question est de savoir qu'elle est l'importance de ce trafic.

Pour mesurer l'importance du trafic routier il est possible de compter le nombre de voiture circulant par heure à un point donné d'une route . De même pour la circulation de la chaleur il est possible de compter la quantité de chaleur qui circule par seconde dans un matériau.

La quantité de chaleur est mesurée en joule (anciennement en calorie). La circulation de la chaleur, ou débit de chaleur, peut être mesurée en J/s. Le J/s est une unité appelé le Watt (W). Ainsi la circulation de la chaleur dans un matériau peut être quantifié par la quantité de cette chaleur qui circule en une seconde et mesuré en Watt (débit de chaleur).

De quoi dépend l'importance de cette circulation de chaleur? Comme la circulation automobile trois facteurs conditionnent l'importance de cette circulation.

La nature du matériau influe énormément. Selon leur nature les matériaux n'ont pas la même capacité à conduire la chaleur ou à la retenir. En effet un vitrage perd plus facilement la chaleur qu'un mur en bois. Une porte en acier perd plus facilement la chaleur qu'une porte en bois. Autrement dit la chaleur circule mieux dans l'acier que dans le bois.

De même la géométrie est importante. Plus la porte a de surface, plus la chaleur circule dedans. Le débit de chaleur est donc à déterminer pour un matériau donné et pour une unité de surface, le m².

Enfin pour avoir une circulation de chaleur il faut aussi avoir une différence de chaleur entre les deux faces de la paroi. C'est comme pour une route, quelque soit sa capacité à faire circuler des voitures, il faut avant tout qu'il y ait des voitures qui cherchent à circuler. autrement la route reste vide, sans circulation. C'est ce que l'on appelle un potentiel de circulation. Pour la chaleur, plus la différence de température est grande entre les deux faces de la paroi, plus la chaleur cherche a circuler entre les deux. Pour avoir une référence unitaire la circulation de chaleur dans une paroi est déterminée pour un écart de température de 1°C ou 1K (Kelvin unité internationale de température).

La conductivité d'une paroi est donc la quantité de chaleur qui circule dans la paroi par seconde. Cette circulation de chaleur , appelé aussi flux de chaleur dépend de la nature du matériau, de sa géométrie et de la différence de température. Le flux de chaleur unitaire d'une paroi est indiqué pour un matériau d'une surface de 1 m² et avec un écart de température de 1°C ou 1K.

Le flux de chaleur dans une paroie noté U s'exprime en W/m².K

Exemples: Un voile de béton de 20cm d'épaisseur a un flux thermique de 8.75w/m².K. 10 cm d'épaisseur de laine de roche a un flux thermique de 0.38w/m²/K (c'est bien mois que le béton).

Un matériau laissant circuler facilement la chaleur est appelé un matériau conducteur. A l'inverse, un matériau rendant difficile la circulation de la chaleur est appelé matériau résistant. La résistance thermique d'un matériau noté R est donc l'inverse du flux themique. R=1/U. R s'exprime en K.m²/w

Exemples: Un voile de béton de 20cm d'épaisseur a une résistance thermique de 1/8.75=0.114m².K/w. 10 cm d'épaisseur de laine de roche a une résistance thermique de 1/0.38=2.632m².K/w (c'est bien plus que le béton).

La stratégie de l'isolation termique est l'inverse de celle du trafic routier. Si l'on cherche des solutions pour fluidifier le trafic routier, en isolation thermique, il sera recherché des solutions pour freiner le trafic de chaleur.

Exemple: Détermination du flux de chaleur dans 20 cm d'épaisseur d'un voile de béton de 3m de long par 2.5 de hauteur, lorsqu'il fait 20°C d'un côté et -5°C de l'autre.
U=8.75w/m²/K. La capacité géométrique de circulation thermique du mur est 3x2.5=7.5m². Le potentiel de circulation thermique vaut 20-(-5)=25 °C ou K d'écart.

Le flux de chaleur par conductivité de ce mur vaut 8.75x7.5x25= 1640w.
Dans ces conditions cela indique que cette paroi perd 1640 Joules de chaleur chaque seconde. Pour compenser cette perte par conduction il faut un chauffage capable de fournir 1640w.

Les parois composites:

Cet exemple traite d'une paroi homogène. Comment le flux thermique d'une paroi composite se détermine-t-il?. Dans ce cas chaque épaisseur de matériau résiste à son tour pour limiter le flux thermique. La résistance de chaque matériau s'additionne.

Exemple: considérons un mur en béton banché de 20cm doublé de 10cm de laine de roche. La résistance thermique du mur vaut: 0.114+2.632=2.746Km²/w.
Le flux thermique dans cette paroi vaut: 1/2.746=0.364w/m²K

La conductivité thermique selon l'épaisseur de la paroi:

Ainsi plus il y a d'épaisseur plus la paroi résiste. Aussi pour un même matériau il est possible de déterminer la résitance ou le flux thermique du matériau par unité d'épaisseur.
Exemple la résistance thermique d'un m d'épaisseur de béton vaut: 0.57Km/w. Un voile de 20cm d'épaisseur a une résistance thermique de 0.57x0.2= 0.114Km²/w
Attention! les fournisseurs de matériaux indiquent souvent la conductivité thermique d'un m d'épaisseur de matériau.
Exemple La conductivité thermique d'un m de béton vaut 1.75w/mK. La conductivité thermique de 20cm d'épaisseur de voile vaut 1.75/0.2=8.75w/m²K.

Ces deux phénomènes agissent à chaque surface de la paroi. Il est possible de les regouper pour les quantifier. afin d'en simplifier le comptage la réglementation thermique les modélisent comme des résistances de surface appelées "résistance superficielle" pour chaque face de la paroi. L'effet de la convection et du rayonnement est le même que si la paroi comportait un résistance supeficielle. Leur importance dépend du sens de circulation du flux themique. En effet l'air chaud monte et lair froid descend. A l'intérieur d'un local chauffé, il y a donc plus de convection au plafond qu'au plancher. Le flux thermique est donc plus important du bas vers le haut que du haut ves le bas ou à l'horizontal.

VALEURS DES RESISTANCES THERMIQUES SUPERFICIELLES (m².K/w)
Croquis	Sens du flux	Paroi en contact avec
		L'extérieur Un passage ouvert Un local couvert		Un local non chauffé Un comble Un vide sanitaire
		Rsi	Rse	Rsi	Rse
	Horizontal	0.13	0.04	0.13	0.13
	Ascendant	0.10	0.04	0.10	0.10
	Descendant	0.17	0.04	0.17	0.17

Ainsi en reprenant le mur de béton armé doublé de laine de roche, les résistances de chaque surface de la paroi dues à la convection et au rayonnement s'aditionnent. La résistance globale de la paroi vaut R= 0.13+2.632+0.114+0.04= 2.916 Km²/w
Le flux thermique unitaire de la paroi vaut: u=1/2.916=0.343w/m²K
Le flux total vaut 0.343x7.5x25=64w