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La thermographie du bâtiment Principes et applications du diagnostic thermographique Dominique Pajani © Groupe Eyrolles, 2010, ISBN : 978-2-212-13391-2
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    16-Jun-2022
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La thermographie du bâtiment, principes et applications du diagnostic thermographiqueDominique Pajani
Sommaire AvAnt-propoS ........................................................................................................................... 10
Partie i
1| ÉlÉmentS de thermIque du bâtIment ........................................................... 24
2| rAyonnementS et proprIÉtÉS rAdIAtIveS deS mAtÉrIAux ............ 37
3| lA cAmÉrA thermIque : cArActÉrIStIqueS utIleS et conSIdÉrAtIonS prAtIqueS .............................................................................. 56
4| que meSure lA cAmÉrA thermIque ? ................................................................. 69
Partie ii
5| le cAdre normAtIf en thermogrAphIe ......................................................... 88
6| le dIAgnoStIc thermogrAphIque ...................................................................... 93
7| lA SImulAtIon thermIque ........................................................................................ 110
Partie iii
chemInement : de l’AnAlySe Au rApport ................................................. 123
8| leS ApplIcAtIonS de lA thermo grAphIe dAnS le bâtIment ............................................................................................................. 124
9| deS IrrÉgulArItÉS quI ne Sont pAS deS dÉfAutS ................................... 150
10| l’InterprÉtAtIon deS ImAgeS ther mIqueS et deS thermogrAmmeS ............................................................................................. 160
11| leS documentS du dIAgnoStIc thermogrAphIque .......................... 175
concluSIon : l’AvenIr de lA thermogrAphIe du bâtIment ......... 191
AnnexeS .......................................................................................................................................... 193
IntroductIon à lA thermogrAphIe du bâtIment ......... 13
Partie i
1| ÉlÉmentS de thermIque du bâtIment ........................................... 24
IntroductIon .................................................................................................................................... 24
La paroI pLane homogène ............................................................................................................ 25
La paroI pLane homogène « réeLLe »........................................................................................ 31
Les ponts thermIques .................................................................................................................. 31
dynamIque des bâtIments ........................................................................................................... 33
Le spectre des rayonnements.................................................................................................. 37
bILan radIatIf .................................................................................................................................... 43
consIdératIons croIsées ............................................................................................................ 52
3| lA cAmÉrA thermIque : cArActÉrIStIqueS utIleS et conSIdÉrAtIonS prAtIqueS .............................................. 56
deux espaces dIstIncts : Image et mesure ............................................................................ 56
bande spectraLe ............................................................................................................................. 58
résoLutIon thermIque, ou netd ............................................................................................... 61
unIformIté de réponse ................................................................................................................ 62
grandeurs d’InfLuence ............................................................................................................... 65
enregIstrement du fIchIer-Image .......................................................................................... 65
synthèse sur Le choIx de La caméra thermIque ............................................................... 67
choIx de La paLette de couLeurs .............................................................................................. 67
4| que meSure lA cAmÉrA thermIque ? .................................................. 69
généraLItés ...................................................................................................................................... 69
déperdItIons énergétIques : généraLItés ........................................................................... 72
La déperdItIon radIatIve .............................................................................................................. 74
Le nombre seId ................................................................................................................................ 76
Le facteur de température frsI ................................................................................................ 82
concLusIons ..................................................................................................................................... 83
exercIces ........................................................................................................................................... 84
Partie ii
5| le cAdre normAtIf en thermogrAphIe ........................................ 88
Les normes........................................................................................................................................ 88
La boîte à outILs du thermographe ........................................................................................ 96
recommandatIons au débutant ............................................................................................... 98
examen depuIs L’IntérIeur .......................................................................................................... 104
examen depuIs L’extérIeur .......................................................................................................... 108
sauvegarde des données ........................................................................................................... 109
7
à queL thermogramme s’attendre ? ........................................................................................ 110
un exempLe : Le défaut d’IsoLatIon thermIque ................................................................... 111
LImIte de détectIon d’un défaut d’IsoLatIon ....................................................................... 112
sImuLatIon d’un pont thermIque matérIeL .......................................................................... 113
sImuLatIon d’un pont thermIque géométrIque.................................................................. 115
probLèmes générés par L’Ite ..................................................................................................... 119
sImuLatIon de La convectIon natureLLe ............................................................................... 120
Partie iii
chemInement : de l’AnAlySe Au rApport ................................. 123
8| leS ApplIcAtIonS de lA thermo grAphIe dAnS le bâtIment ..................................................................................................... 124
L’IsoLatIon thermIque.................................................................................................................... 124
Le confort thermIque .................................................................................................................. 136
thermographIe des menuIserIes ............................................................................................ 138
9| deS IrrÉgulArItÉS quI ne Sont pAS deS dÉfAutS ............... 150
varIatIon du coeffIcIent d’échange superfIcIeL radIatIf .............................................. 151
varIatIon du coeffIcIent d’échange superfIcIeL convectIf ......................................... 152
varIatIon de La tamb de La paroI ............................................................................................... 154
varIatIon de La ter de La paroI ................................................................................................... 155
varIatIon de La température IntérIeure du bâtI ............................................................... 155
varIatIon de type de réfLexIon des paroIs ........................................................................... 156
varIatIon des condItIons météo et InertIe des structures ......................................... 158
10| l’InterprÉtAtIon deS ImAgeS ther mIqueS et deS thermogrAmmeS ................................................................................... 160
préambuLe ......................................................................................................................................... 160
concLusIon ........................................................................................................................................ 172 récapItuLatIf des prIncIpaLes erreurs d’InterprétatIon ............................................. 172
11| leS documentS du dIAgnoStIc thermogrAphIque ..... 175 La proposItIon technIque et commercIaLe .......................................................................... 175 Le rapport d’InterventIon .......................................................................................................... 184
concluSIon : l’AvenIr de lA thermogrAphIe du bâtIment .................................................................................................................... 191
AnnexeS ...................................................................................................................................... 193
Annexe 1 - quelqueS exercIceS ÉlÉmentAIreS de thermIque ..................................................................... 194
Annexe 2 - meSure de l’ÉmISSIvItÉ deS mAtÉrIAux du bâtIment ....................................................................... 196
Annexe 3 - progrAmme de cAlcul de lA courbe d’ÉtAlonnAge d’une cAmÉrA lW ................... 198
Annexe 4 - rAyonnement reçu pAr lA cAmÉrA et envIronnement rAdIAtIf ..................................... 200
Annexe 5 - cAlcul du SeId : compArAISon Avec le cAlcul de thermIque clASSIque .................................. 204
Annexe 6 - SImulAtIon de lA convectIon nAturelle .......................................................................................................................... 206
Annexe 7 - dIAgrAmme de mollIer : le poInt de roSÉe ..................................................................................................... 208
Annexe 8 - meSurer lA tempÉrAture du verre ............................................................................................................................... 210
Index ........................................................................................................................................ 213
1| Éléments de thermique du bâtiment
Introduction Les éléments de thermique du bâtiment rassem- blés dans ce chapitre1 sont absolument néces- saires à la compréhension de la thermographie. Ils serviront également au thermicien, pour lequel, trop souvent, l’abord simplifié de la thermique du bâtiment n’est pas compatible avec la compréhen- sion de l’outil d’observation et de contrôle qu’est la thermographie.
L’approche des phénomènes complexes dont le bâtiment est le siège, véritable machine ther- mique, devrait être scientifique. Mais nous n’en sommes pas encore là et nous nous contente- rons donc d’aborder les éléments utiles de la thermique statique appliquée à des situations très simples. Ainsi, nous ne ferons qu’évoquer au moment opportun, mais de façon vigoureuse, le danger inhérent et permanent que représentent, en thermographie du bâtiment, l’inertie thermique et donc l’histoire récente du bâtiment, de son exploitation et des actions qu’exerce sur lui son environnement.
La température La température de la matière est liée à l’agitation de ses atomes et de ses molécules, laquelle est l’une des formes de « stockage » d’énergie dans la matière : l’énergie interne. Cette énergie reste dis- ponible et se manifeste par l’émission naturelle de rayonnement électromagnétique : le rayonnement thermique.
La température s’exprime en deux unités de mesure équivalentes : en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K).
L’échelle des K part du « zéro absolu » = 0 K = – 273,15 °C.
On peut mesurer la température de la matière au moyen de capteurs fonctionnant selon l’un des trois modes de transfert de chaleur entre cette matière et le capteur : • par conduction (contact entre le capteur et la matière solide) ; • par convection (immersion du capteur dans la matière fluide) ; • par rayonnement (détection, par le capteur, du rayonnement émis par la matière).
Les deux premiers modes conduisent à la tempé- rature dite « vraie », c’est la température au sens commun du terme. Le troisième mode indique la température « apparente ».
1. Ce chapitre s’inspire du texte de la conférence d’Éva Dorignac, professeur des universités, université de Poitiers, lors du congrès national de thermo- graphie THERMOGRAM’ 2007 (texte disponible en téléchargement sur www.wiki-thermographie.net).
rappel Les expressions « degré Kelvin » et « °K » sont incorrectes, « kelvin » est correcte. Le degré centigrade n’existe plus depuis 1948.
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La thermographie fonctionne avec des capteurs de rayonnement et mesure donc des températures apparentes. Si besoin est, il est possible de passer de la température apparente à la température vraie dès lors que l’on maîtrise la situation de mesure et que l’on détermine au préalable la valeur de deux grandeurs d’influence – ce qui sera détaillé au cha- pitre 4, « Que mesure la caméra thermique ? ».
Les trois modes de transfert de chaleur Dans un bâtiment, les transferts d’énergie prennent principalement la forme de transferts de chaleur. Ceux-ci ont pour origine la tendance naturelle de la chaleur à transiter des zones chaudes vers les zones froides en utilisant trois modes de transport : • la conduction correspond à la transmission de proche en proche de l’agitation moléculaire par chocs entre les molécules au sein de la matière solide ; • la convection correspond au flux de chaleur échangé entre la surface d’un solide et la couche de fluide adjacente ; • le rayonnement correspond au transport de cha- leur par émission et absorption de rayonnement électromagnétique par les surfaces des corps. En thermique de l’habitat (mais sans rapport avec les désignations SW et LW de la thermographie), on distingue le rayonnement grande longueur d’onde (GLO) et le rayonnement courte longueur d’onde (CLO). Le rayonnement GLO est l’échange de chaleur sans contact entre deux surfaces de solides à des températures différentes et pour des longueurs d’onde du domaine infrarouge du spectre de rayonnement, donc à des températures usuelles rencontrées dans le bâtiment. Le rayon- nement CLO provient essentiellement du soleil, soit directement soit indirectement lorsqu’il est diffusé par l’atmosphère ou réfléchi par les sur- faces proches d’un bâtiment. Il se situe dans les domaines de l’ultraviolet et du visible du spectre de rayonnement (voir chapitre suivant).
Un bâtiment est un ensemble de volumes d’air sépa- rés par des parois, sièges de transferts thermiques (couplage de différents flux de chaleur – conductif, convectif, radiatif – en provenance des environne- ments extérieur et intérieur). La connaissance du comportement thermique d’une paroi en réponse à des sollicitations est donc utile à la compréhension du comportement thermique d’un bâtiment.
Ces bilans thermiques peuvent être appréhen- dés soit en régime variable soit en régime per- manent. Le régime variable est évidemment le cas le plus général, et son étude nécessite l’utili- sation de l’ordinateur. Dans notre cadre, nous ne nous intéresserons à l’aspect non stationnaire que pour expliciter ce qu’est l’inertie thermique. Quant au régime permanent, nous en resterons à une première approximation d’un cas général, trop complexe à considérer : nous décrirons donc la thermique des parois planes des bâtiments en régime permanent et le chapitre 7, « La simula- tion thermique » entrera dans quelques détails de situations de parois plus complexes.
La paroi plane homogène Une paroi homogène séparant deux volumes d’air thermiquement différents est le siège des trois modes de transfert de chaleur : conduction dans la paroi, rayonnement et convection sur les deux faces de la paroi. En thermique du bâtiment sim- plifiée, on s’intéresse quasiment toujours à des parois planes séparant un volume intérieur et un milieu extérieur, et on ne considère que le régime permanent. La figure 1.1 schématise ces échanges.
En régime permanent, les températures et les flux de chaleur sont invariants en tout point d’une paroi plane. Et le flux thermique se conserve : le flux thermique entrant par la surface intérieure est égal au flux qui traverse la paroi et est égal au flux sortant par la surface extérieure. (Par la suite, pour faciliter la lecture, nous appelle- rons simplement « flux » ce que la science appelle « densité de flux ». Merci aux scientifiques de ne pas nous en tenir rigueur.)
25éléments de thermique du bâtiment
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La conduction C’est le principal mode de transfert de chaleur à l’intérieur du matériau.
Le flux de chaleur conductif jcond (en W/m2) s’écrit (déduit de la loi de Fourier) :
jcond = l/e ΔT,
où e est la distance en mètres entre deux points du matériau entre lesquels a lieu ce transfert, ΔT l’écart de température entre les deux points (en °C ou K), et l la conductivité thermique du matériau (en Wm-1K-1). (Dans les matériaux iso- lants fibreux ou alvéolaires, dont la plus grande partie du volume est constituée d’air, une part du transfert de chaleur peut se faire par rayonne- ment et par convection. Toutefois, même pour ces matériaux, on se sert du modèle de transfert par conduction, en incluant les effets du rayonnement ou de convection dans une conductivité thermique équivalente.)
Ainsi, entre les surfaces intérieure et extérieure de la paroi de la figure 1.1, d’épaisseur « e », il passe un flux de chaleur conductif de :
jcond = l/e (Tsurface intérieure – Tsurface extérieure).
Ce flux passe de l’intérieur vers l’extérieur si Tsur- face intérieure > Tsurface extérieure. C’est le cas qui nous intéressera en thermique statique sim- plifiée, mais rappelons que seraient traités spéci- fiquement les cas où, par exemple, même en hiver, la surface extérieure de la paroi est chauffée par des apports solaires (directs ou indirects) !
Conductivité thermique de quelques matériaux (l en Wm-1K-1)
Cuivre 380 Acier - fer 50 à 72
Calcaire 1,7 Verre 1,1
Aluminium 160 à 230 Pierre - granite 1,7 à 3,5
Béton 1 à 2 Plâtre 0,2 à 0,5
Perlite 0,06 Laine minérale 0,04
La convection Le flux de chaleur convectif (en W/m2) entre une paroi et un fluide est modélisé par la relation de Newton :
jcond = hc ΔT,
où hc est le coefficient d’échange convectif (en Wm-2K-1), ΔT l’écart de température entre la surface et son environnement convectif, l’air, le plus souvent appelé ambiance, à la température ambiante.
Ainsi, entre la surface intérieure de la paroi et l’ambiance intérieure ( figure 1.1), il passe un flux de chaleur convectif :
jcond-int = hci (Tambiante intérieure – Tsurface intérieure).
Ce flux passe de l’air intérieur vers la paroi (surface intérieure), si Tambiante intérieure > Tsurface inté- rieure. C’est le cas qui nous intéressera en ther- mique statique simplifiée.
De même, en extérieur, on aura :
jcond-ext = hce (Tsurface extérieure – Tambiante extérieure).
intérieur extérieur
air “ambiance”
air “ambiance”
T environnement extérieure
T environnement intérieure
T surface extérieure
T surface intérieure
figure 1.1 - les trois modes de transfert de chaleur sur une paroi.
26 Les fondements de La pratIque
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Ce flux passe de la paroi (surface extérieure) à l’air extérieur si Tsurface extérieure > Tam- biante extérieure. C’est le cas qui nous inté- ressera en thermique statique simplifiée, mais rappelons que seraient traités spécifiquement les cas où, par exemple, même en hiver, la sur- face extérieure de la paroi est chauffée par des apports solaires (directs ou indirects). Le coefficient d’échange convectif « hc » dépend, entre autres, de la direction du flux de chaleur, de la rugosité de la surface, de la vitesse de l’air le long de celle-ci, et de la température ambiante.
En première approximation, les valeurs suivantes sont adoptées à l’intérieur du bâtiment : • flux de chaleur ascendant (à partir d’une dalle chauffante, par exemple) hc = 5,0 Wm-2K-1 ;
• flux de chaleur horizontal (paroi verticale) hc = 2,5 Wm-2K-1 ;
• flux de chaleur descendant (à partir d’un plafond chauffé, par exemple) hc = 0,7 Wm-2K-1.
À l’extérieur, l’effet du vent prédomine. L’approxi- mation suivante est proposée :
hc = 4 + 4 v,
où v est la vitesse du vent près de la surface en mètres par seconde.
Le rayonnement (cas simplifié) La description qui suit est simplifiée. Nous revien- drons aux notions fondamentales au chapitre 4, « Que mesure la caméra thermique ? ».
Le flux de chaleur radiatif (en W/m2) entre deux milieux matériels est également modélisé par la relation de Newton :
jrad= hr ΔT,
où hr est le coefficient d’échange (en Wm-2K-1), ΔT l’écart de température entre les deux milieux matériels : température de la paroi considérée et température de son environnement radiatif (tout ce qui envoie du rayonnement sur la paroi). Cette dernière température sera notée TER (température d’environnement radiatif).
Ainsi, entre la surface intérieure de la paroi et son environnement radiatif ( figure 1.1), il passe un flux de chaleur radiatif de :
jrad-int = hri (TER intérieure – Tsurface intérieure).
Ce flux passe de l’environnement radiatif intérieur vers la paroi (surface intérieure) si TER intérieure > Tsurface intérieure. C’est le cas qui nous intéres- sera en thermique statique simplifiée. De même, en extérieur, on aura :
jrad-ext = hre (Tsurface extérieure – TER extérieure).
Ce flux passe de la paroi (surface extérieure) vers l’environnement radiatif extérieur si Tsurface extérieure > TER extérieure. C’est le cas qui nous intéressera en thermique statique simplifiée, mais rappelons que seraient traités spécifiquement les cas où, par exemple, en hiver, la surface extérieure de la paroi est soumise à des apports solaires ou, au contraire, à un ciel froid de température très différente de celle du sol (dans ces cas, l’équation ci-dessus est fausse) !
L’équivalence électrique et la résistance thermique On a coutume de comparer les phénomènes et grandeurs thermiques aux phénomènes et gran- deurs électriques. C’est une facilité pour qui connaît la fameuse loi d’Ohm U = RI et le fait que l’intensité ne change pas de valeur dans un cir- cuit série (où les composants sont en série). Nous nous limiterons, comme déjà dit, à la thermique statique ; ainsi, les capacités (inertie thermique), n’ayant alors aucune importance, n’apparaîtront pas dans les schémas.
À noter La température ambiante n’est pas la température d’environnement radiatif (TER), même si les valeurs peuvent être proches (surtout en intérieur). Ces réali- tés physiques sont radicalement différentes, ce sur quoi nous allons progressive- ment insister puisqu’il s’agit là d’une interrogation constante chez les débutants.
27éléments de thermique du bâtiment
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Nous allons donc représenter la figure 1.1 sous la forme de la figure 1.2, en considérant que : • la différence de potentiel U est équivalente à une différence de température ΔT (en °C ou K) ; • l’intensité I est équivalente au flux de chaleur j (en W/m2) ; • la résistance R est équivalente aux termes e/l (en conduction, R dans la figure), 1/hc (en convec- tion, rc dans la figure) ou 1/hr (en rayonnement, rr dans la figure).
Ces résistances sont appelées résistances ther- miques (en m2KW-1).
Précisions importantes pour la thermographie 1 - Cette simplification d’écriture des trans- ferts radiatifs est valable en thermique du bâti- ment quand les écarts de température sont assez faibles (donc en l’absence de soleil ou de ciel découvert froid) : c’est l’équation de Stefan- Bolzmann (voir chapitre 2, « Rayonnements et pro- priétés radiatives ») qui est simplifiée autour d’une température égale à la moyenne des températures en jeu. Nous détaillerons ce point au chapitre 4, « Que mesure la caméra thermique ? ».
2 - Les températures de surface de paroi sont mesurées par des sondes de contact (conduction). Les températures ambiantes sont mesurées par des sondes immergées dans l’air (convection). Les TER sont mesurées par des capteurs recevant le rayon- nement en provenance de ces environnements.
Mais on montrera au chapitre 4 que, dans les transferts de chaleur par rayonnement (dont le bilan instantané est la déperdition radiative), on peut mesurer les températures de surface de paroi par rayonnement (et non par contact). Ceci se révélera d’un très grand intérêt pratique en simplifiant les mesures thermographiques (quand elles seront utiles) : on obtient des températures apparentes (rayonnement) au lieu de températures vraies (conduction ou convection).
Les résistances thermiques superficielles Rsi et Rse Le flux (par mètre carré) entrant dans la paroi (côté intérieur) est la somme du flux convectif intérieur (par mètre carré) et du flux radiatif intérieur (par mètre carré). Et, toujours par mètre carré, le flux sortant de la paroi (côté extérieur) est la somme du flux convectif extérieur et du flux radiatif extérieur. Comme ces deux flux vont toujours en parallèle, ils sont réunis sous l’appellation de flux superfi- ciel. Ce flux de chaleur superficiel entre la surface et son environnement (convectif et radiatif) peut s’exprimer par :
jc+r = (hc + hr) ΔT,
où hc et hr sont les coefficients d’échange par convection et rayonnement, et où ΔT est l’écart de température entre la surface de la paroi et une température résultant d’une sorte de moyenne entre les deux températures précédentes : ambiante et d’environnement radiatif. Cette nou- velle température est la température opérative, ou résultante sèche. Ces coefficients sont donc écrits sous la forme d’une résistance thermique superficielle :
Rs = ΔT/jc+r = 1/(hc + hr).
On écrit aussi le coefficient d’échange superficiel h = hc + hr.
Les résistances thermiques superficielles ont relativement peu d’importance dans la résis- tance totale d’un élément de construction bien isolé thermiquement. Aussi, pour les calculs de déperditions, on adopte souvent les valeurs
intérieur extérieur
figure 1.2 - représentation des transferts de chaleur sur une paroi.
28 Les fondements de La pratIque
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conventionnelles suivantes, valables pour des surfaces de bonne émissivité (supérieure à 0,8), incluant convection et rayonnement, et appli- cables quelle que soit l’orientation de la paroi : • à l’intérieur, hi = 8 Wm-2K-1 d’où Rsi = 0,13 m2KW-1 ;
• à l’extérieur, he = 25 Wm-2K-1
d’où Rse = 0,04 m2KW-1.
Par contre, le rôle des Rsi et Rse est primordial en thermographie : elles sont à l’origine des écarts de température qui apparaissent en surface des parois (entre deux zones distinctes sur la paroi ou entre la température de paroi et la température opérative). Sans elles, pas de thermographie ! Et des écarts de température peuvent apparaître en surface de la paroi, du fait de la variation de la résistance superficielle, sans que la R de la paroi soit en cause : ces cas seront évoqués en particu- lier au chapitre 9, « Des irrégularités qui ne sont pas des défauts ».
Si l’on souhaite constater, par thermographie, des défauts d’isolation ou de structure (valeur variable de R), il sera préférable d’observer les parois depuis l’intérieur, du fait que Rsi > Rse puisqu’alors l’écart de température (entre la paroi saine et la zone de défaut) y sera plus important qu’à l’extérieur.
Paroi multicouche et lame d’air La résistance thermique d’une paroi plane formée de plusieurs couches de matériaux différents mais homogènes est la somme des résistances des différentes couches du composant. De la surface intérieure à la surface extérieure :
Rparoi = R1 + R2 + … résistances des lames d’air.
Dans le bâtiment, on rencontre également des parois avec des lames d’air non ventilées (donc fer- mées) ou ventilées. La résistance thermique d’une lame d’air ventilée ou non dépend des mouvements de convection à l’intérieur de la lame et du rayon- nement thermique entre les surfaces délimitant cette lame. Pour ces parois avec lames d’air, les normes de calcul des résistances thermiques dans
le domaine du bâtiment proposent des valeurs par défaut en fonction de la direction du flux de chaleur et des dimensions de la lame d’air. On retiendra, par exemple, qu’une lame d’air verticale, d’environ 20 mm d’épaisseur, non ventilée, a une résistance thermique maximale de l’ordre de 0,17 m2KW-1. En deçà de cette épaisseur, la résistance chute ; au-delà, elle ne croît pas.
La température opérative Ainsi, pour simplifier le calcul de flux superficiels, on a introduit une température résultante sèche ou température opérative Top, qui autorise de regrouper les deux flux, convectif et radiatif.
On obtient : Top = [hc Tamb + hr TER] / [hc + hr], avec Tamb = température ambiante et TER = température d’environnement radiatif. (Cette équation est obtenue en régime de ther- mique statique, donc en considérant que la paroi est à l’équilibre d’échange thermique avec son environnement convectif et radiatif, ce qui signifie que la somme des échanges est nulle : jconv + jrad = 0. La paroi est alors à la température opérative Top ci-dessus.)
La température opérative Top permet de prendre en compte les échanges entre la surface de la paroi et son environnement radiatif et convectif ; elle est la plus représentative de la notion de confort thermique.
Lorsqu’on parle de température intérieure Tint, il s’agit en fait de la température opérative. Il en est de même pour la température extérieure notée Text.
Le langage courant fait croire que l’on sait de quoi l’on parle quand on dit que la température extérieure vaut + 5 °C : la réalité de cette grandeur physique est donc autrement plus complexe que l’idée répandue. Lors de l’apprentissage de la thermographie, il est donc essentiel de revenir à la source de ces notions. La thermique simplifiée du bâtiment – toujours en thermique statique – peut faire encore davantage abstraction de la différence fondamentale entre les phénomènes physiques de convection et ceux
29éléments de thermique du bâtiment
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Le coefficient U de transmission thermique de la paroi L’équation simple (en thermique statique) du transfert de chaleur entre un environnement (convectif et radiatif) à Tint et un environnement (convectif et radiatif) à Text est donc :
j = U (Tint – Text),
où U (en Wm-2K-1) est l’inverse de la somme des résistances thermiques en série, comme repré- senté sur la figure 1.3.
U est appelé coefficient de transmission thermique :
U = 1 / [Rsi + R + Rse].
Le U intègre donc les résistances thermiques super- ficielles. (Se reporter aux exercices de l’annexe 1.)
Il faut bien se rendre compte de la signification simplifiée de cette grandeur U, laquelle n’est donc valable qu’en thermique statique, et pour une paroi plane séparant deux environnements dans lesquels les températures ambiantes et les températures d’environnement sont uniformes.
Ne pas respecter les conditions servant à établir la notion même du U fait courir le danger de l’em- ployer quand on n’en a pas le droit, c’est-à-dire : • en cas d’environnement radiatif non uniforme ; • en cas d’angle de paroi séparant trois milieux ou plus ; • en cas de variation des conditions météorolo- giques, etc.
Nous verrons des compléments à la notion de U au chapitre 4, « Que mesure la caméra thermique ? ».
Les calculs de températures en thermique statique En se rappelant l’analogie électrique de la figure 1.3 et en considérant donc que le flux de chaleur est le même dans les différentes résis- tances thermiques placées en série, on obtient que chacune des résistances supporte une diffé- rence de température proportionnelle à la valeur de la résistance. Et comme l’ensemble des résis- tances (= 1/U) supporte le ΔTie = Tint – Text, on écrit aisément :
ΔTie / (Rsi + R + Rse) = ΔTie . U = ΔTRsi / Rsi = ΔTRse / Rse …
ensemble d’équations qu’il est maintenant très facile de résoudre pour connaître les tempé- ratures de surface de la paroi, température de
intérieur extérieur
T extérieureT intérieure
T surface extérieure
T surface intérieure
figure 1.3 - représentation simplifiée des transferts de chaleur sur une paroi. les températures intérieure et extérieure sont des températures opératives, c’est une approche simplifiée à l’extrême.
de rayonnement. Elle peut aller jusqu’à supposer que les valeurs des températures sont identiques : TER = Tamb = Top ! Ceci n’est pas trop éloigné de la réalité en intérieur ou, en extérieur, par temps cou- vert (absence de ciel froid ou de soleil). Néanmoins, cette approche, quand elle est mal comprise, donne lieu à des erreurs de méthodologie, des erreurs d’in- terprétation, et même à des erreurs dans les normes qui traitent de la thermique du bâtiment !
De plus, il faut bien se rendre à l’évidence : les tem- pératures ambiante et d’environnement radiatif (et donc opérative) sont des notions moyennes destinées à approcher les calculs de thermique du bâtiment. La réalité est plus complexe, et la thermographie le met en évidence : les valeurs de ces températures ambiante et d’environnement radiatif varient en tout point d’un bâtiment, d’une pièce ou d’une paroi extérieure. Il conviendra donc de prendre garde lors des interprétations.
On est à même maintenant de simplifier la figure 1.2 en une figure 1.3.
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surface intérieure Tsi et température de surface extérieure Tse, avec
ΔTRsi = Tint – Tsi et ΔTRse = Text – Tse
La paroi plane homogène « réelle » Nous avons considéré une paroi plane homogène (théorique, donc de dimensions infinies) séparant deux milieux également infinis et caractérisés chacun par une seule valeur de température opé- rative, Tint ou Text.
La réalité nous demande de considérer des zones différentes d’une paroi réelle séparant des milieux réels et pour lesquelles la simplification apportée par la notion de température opérative n’est plus franchement valable ou devient fausse. Ainsi, on peut redessiner la paroi plane en la subdivisant en différentes surfaces élémentaires (de 1 m2, par exemple) pour lesquelles il sera encore admis que le flux de chaleur reste perpendiculaire à la paroi et que chaque surface impliquera ses propres paramètres : la représentation devient plus complexe, naturellement, mais plus réaliste. La figure 1.4 expose le cas de 9 m2 élémentaires adja- cents, qui peuvent devenir 9 surfaces de 100 cm2 (ou de dimensions moindres encore, même s’il ne peut plus être considéré que les différents flux traversent la paroi en ligne droite !). On comprend que l’on se dirige maintenant vers la thermogra- phie ou cartographie des températures de surface de l’ensemble d’une paroi.
Les paramètres qui varient d’une surface élémen- taire à l’autre sont naturellement tous ceux que nous avons vus plus haut : R, Rsi et Rse (en fait, hci, hri, hce et hre), Tamb-i, Tamb-e, TER-i et TER-e. Voilà qui va nous fournir des motifs pour observer des variations de Tsi et Tse, puisque les valeurs de ces températures de surface vont dépendre de l’ensemble des paramètres précédents. On trou- vera donc des situations où R est constant dans la paroi, mais où Tamb-i varie (présence d’un corps
de chauffe contre la paroi, par exemple), où TER-e varie (sous le débord d’une toiture, quand le ciel est plus froid que la toiture, par exemple – confi- nement radiatif), où Rse varie du fait que hce varie (dans une loggia ouverte ou dans l’espace d’une ouverture, par exemple – effet de confinement convectif), etc.
Il sera donc de la plus haute importance, lors de l’interprétation des images de thermographie, de déterminer la cause des variations des tempéra- tures de surface, et donc de ne pas penser spon- tanément ou exclusivement à des variations de R de la paroi. Nous devrons insister sur ce point qui est largement incompris.
Les ponts thermiques Le phénomène des transferts thermiques pré- cédemment décrits au travers d’une paroi plane suppose un transfert unidirectionnel. Il existe
intérieur
Tamb3
Tamb2
Tamb1
TER3
TER4
TER9
Tamb4
Tamb7
figure 1.4 - cas de la paroi plane réelle où chacune des surfaces élémen- taires est associée à ses propres paramètres. Ici, côté intérieur, où l’on voit les différentes températures : ambiante, d’environnement radiatif, résistance convective (en gris clair) et radiative (en gris foncé). les r de la paroi peuvent être également différentes entre elles. Il en est de même des paramètres du côté extérieur.
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des singularités localisées pour lesquelles cette hypothèse n’est plus valable. Ces échanges ther- miques localisés, appelés ponts thermiques, sont à l’origine de déperditions supplémentaires, prin- cipalement au niveau des lignes de raccordement des parois verticales et des parois horizontales.
Un pont thermique est constitué par toute discon- tinuité structurelle dans la couche isolante, par tout endroit où la résistance thermique présente une variation de sa valeur. Au voisinage d’un pont thermique, les lignes de flux se resserrent : davan- tage de chaleur passe par unité de surface. Les isothermes se déforment en s’écartant les unes des autres. Les lignes de flux restent néanmoins perpendiculaires aux isothermes.
On distingue les ponts thermiques géométriques, tels que les angles et les coins, et les ponts ther- miques matériels, dans lesquels un matériau conducteur de la chaleur traverse la couche isolante, par exemple. On classe aussi les ponts thermiques en ponts linéaires, qui ont une certaine longueur, et les ponts ponctuels, dans lesquels l’interruption de la couche isolante reste localisée. Toute courbure dans la couche isolante ou dans la paroi constitue un pont thermique géométrique. Les isothermes
doivent suivre la courbure de la paroi, et les lignes de flux, qui leur sont perpendiculaires, se resserrent vers l’intérieur de la courbure.
La figure 1.5 montre un pont thermique géomé- trique typique, constitué par un angle entre deux parois, le mur est composé de briques avec de la laine minérale et un doublage extérieur en plots de ciment. Les couleurs donnent le niveau des tem- pératures (rouge : chaud ; bleu : froid). Les minces lignes bleues sont des lignes de flux. On constate que les isothermes se déforment à l’approche de l’angle et que les lignes de flux sont un peu plus serrées vers l’intérieur de l’angle qu’en pleine paroi. Les ponts thermiques géométriques n’ont, en général, pas d’effet important sur les déperdi- tions, parce que la couche isolante n’est pas inter- rompue, elle n’est que déformée.
Les ponts thermiques matériels se trouvent en tout endroit où la couche isolante est interrompue ou tra- versée par un matériau plus conducteur. La figure 1.6 montre un pont thermique matériel constitué d’une dalle reposant sur un mur avec isolation intérieure. Les lignes minces sont des lignes de flux. On voit très bien que celles-ci se concentrent fortement au travers du pont et que les isothermes s’écartent. On observe un net refroidissement et une concentration des lignes de flux de chaleur près du pont thermique. Les ponts thermiques matériels ont souvent des conséquences plus importantes que les ponts géométriques.
briques
isolation
doublage
dalle
isolant
figure 1.5 - pont thermique géométrique : angle de parois. Isothermes (zones colorées) et lignes de flux.
figure 1.6 - pont thermique matériel : dalle posée sur un mur porteur avec isolation intérieure. à gauche : coupe ; à droite : isothermes et lignes de flux.
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Du point de vue des déperditions thermiques, l’exemple précédent peut être modélisé (ou représenté) par une déperdition de chaleur sup- plémentaire localisée le long d’une ligne hori- zontale insérée dans une paroi. C’est un pont thermique linéaire, auquel on attribue un coeffi- cient de déperdition linéique Y (en Wm-1K-1) et une longueur.
Une patte de fixation métallique traversant une paroi peut être modélisée par une déperdition supplémentaire ponctuelle. C’est un pont ther- mique ponctuel, auquel on attribue un coefficient de déperdition ponctuel c (en WK-1).
Sur le plan et la coupe des détails de construc- tion, un pont thermique matériel apparaît comme une interruption de la couche d’isolant. Il est donc facile à détecter, il devrait être corrigé ou traité de manière appropriée avant de construire. Sur un bâtiment existant, le pont thermique se détecte avant tout par ses effets : appari- tion de moisissures, de condensation, de zones froides ou chaudes. Il peut aussi se détecter par thermographie.
Les ponts thermiques doivent donc être évités, mais cela n’est pas toujours possible et, dans ce cas, il faut en tenir compte dans le bilan thermique du bâtiment.
Dynamique des bâtiments Nous n’avons jusqu’ici effectué aucune formali- sation thermographique des notions suivantes, qui imposent de la simulation numérique. Pratiquement, on constate que de nombreux thermogrammes publiés ont été acquis dans des conditions non stationnaires, ce qui se remarque sur les éléments du bâti qui sont à plus faible inertie que d’autres éléments, qu’ils soient en cours d’échauffement par la tempéra- ture ambiante Tamb ou bien par la température d’environnement radiatif TER, ou encore qu’ils soient dans la phase qui suit cet échauffement, phase de retour à l’équilibre pendant laquelle
l’interprétation (en termes de déperdition éner- gétique venant du chauffage intérieur) est déli- cate et risquée.
Ainsi, la présente section est-elle destinée à don- ner aux thermographes quelques points de repère afin de comprendre ce qui se passe ou quels sont les risques d’interprétation, lors d’une observa- tion thermographique qui peut ne pas être menée dans des conditions normales (ces conditions fai- sant l’objet du début du chapitre 6, « Le diagnostic thermographique ».
Les caractéristiques thermiques dynamiques d’un composant de bâtiment décrivent son comporte- ment thermique lorsqu’il est soumis à des condi- tions aux limites variables, à savoir flux thermique variable ou température opérative (intérieure ou extérieure) variable sur l’une de ses faces ou sur les deux. Nous nous intéressons ici essentielle- ment à la notion d’inertie thermique et nous nous attachons à bien différencier inertie thermique et isolation thermique.
La notion d’inertie thermique dans le bâtiment est complexe du fait qu’elle est différente selon la nature de l’action thermique. Si elle est d’ori- gine extérieure (variation rapide de la température opérative extérieure), l’inertie concerne essen- tiellement l’enveloppe des bâtiments ; le phéno- mène se traduit par une constante de temps plus ou moins longue, mais a peu d’influence sur la consommation ou le confort des occupants. Si elle est d’origine intérieure (apports gratuits tels que l’éclairage, les occupants, les ordinateurs…), l’iner- tie concerne principalement la structure interne du bâtiment (y compris le mobilier) ; elle amortit plus ou moins bien les variations de température.
L’inertie thermique est liée aux matériaux et à la manière dont ils sont répartis dans le bâtiment. Les principales propriétés physiques des matériaux, regroupées sous le terme d’« inertie thermique », participent au bon rendement, à la bonne utilisation et au confort de la machine thermique qu’est l’habi- tat. Quelles sont donc les constantes physiques du matériau qui influent sur l’inertie thermique ?
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sens que la capacité thermique rCp. Par consé- quent, il absorbera d’autant plus facilement la puis- sance thermique que sa température s’élèvera peu sous l’effet de la quantité de chaleur mise en jeu. Ainsi, plus l’effusivité d’une paroi est grande, plus la chaleur interne à la pièce sera absorbée rapidement par le mur, et plus l’élévation de température dans le local sera limitée. Pour le confort thermique, on privilégie donc les matériaux à grande effusivité.
Le comportement thermique du bâtiment Les constructions sont soumises de la part du cli- mat à deux actions différentes. • Le climat agit sur les températures extérieures des enveloppes. Celles-ci subissent d’abord les variations journalières des températures exté- rieures. Pour une enveloppe « correctement » iso- lée, la température de sa face extérieure, si elle n’est pas ensoleillée, est très voisine de la tempé- rature extérieure. Si la face extérieure est soumise à l’ensoleillement, sa température est influencée par le flux incident et subit de ce fait, au cours de la journée, des variations plus importantes. • Le climat agit également par apport d’énergie à l’intérieur du bâtiment, apport dû au rayonne- ment solaire transmis à travers les vitrages et dont une grande partie est absorbée par les parois intérieures.
Il convient de constater que deux types de para- mètres, parfois liés entre eux, la température et la puissance thermique, vont provoquer la dyna- mique du bâtiment.
En thermique du bâtiment, les températures et flux peuvent varier les unes et les autres de manières très différentes : • les variations de température extérieure peuvent être très lentes et les valeurs de flux solaire inci- dent faibles (cas des périodes couvertes) ; • les variations de température extérieure peuvent être, au contraire, brutales et les flux solaires importants lors de l’ensoleillement (cas des périodes dégagées).
Propriétés physiques des matériaux Conductivité La conductivité thermique l, en Wm-1K-1, est une donnée intrinsèque du matériau. Elle caractérise uniquement ses performances isolantes.
Capacité La capacité thermique volumique Cth, en JK-1m-3, est le produit r.Cp de sa masse volumique r, en kg.m-3, par sa capacité thermique massique Cp, en Jkg-1K-1. C’est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer de 1 °C 1 m3 de matériau.
Pour qu’un matériau accumule beaucoup de cha- leur, il doit avoir : • une conductivité thermique élevée, pour que la chaleur puisse facilement pénétrer dans le matériau ; • une capacité thermique volumique élevée, de façon à avoir une grande quantité de chaleur mise en jeu (stockée) pour élever sa température.
Diffusivité La diffusivité thermique « a », en m2s-1, exprime la « vitesse » avec laquelle la chaleur pénètre dans le matériau. Plus elle est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau, et donc, plus le temps entre le moment où la chaleur arrive sur une face de la paroi et le moment où elle atteint l’autre face est important. Cette diffusivité s’exprime par : a = l/(rCp)
Effusivité L’effusivité « b », en Js-½m-2K-1, caractérise la capacité des matériaux à absorber (ou resti- tuer) une énergie thermique, elle s’exprime par : b = (lrCp)½.
Cette définition montre que l’effusivité évolue comme la conductivité thermique. En conséquence, un matériau absorbera d’autant plus de puissance thermique que la chaleur pourra facilement l’at- teindre. Mais l’effusivité évolue aussi dans le même
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disponibles et de l’effusivité des matériaux qui les constituent.
Notons que la dynamique du bâtiment est un phé- nomène à considérer pour assurer, voire contrôler, le confort thermique de ce bâtiment. Le confort thermique est défini par deux températures indis- sociables : la température d’environnement radia- tif et la température ambiante. La différence entre ces deux températures ne doit pas être supérieure à 3 °C, selon les spécialistes du confort thermique. Par exemple, un air chauffé à 22 °C dans une pièce où les murs rayonnent à 14 °C sera inconfortable, à l’inverse d’un air chauffé à 19 °C et des parois rayonnant à 17 °C.
La différence de comportement thermique entre les trois parois de la figure 1.7 ci-dessous s’ex- plique par la capacité de stockage thermique d’une partie des matériaux qui les composent. Plus elle est élevée, plus le matériau est capable de stocker ou de restituer des quantités impor- tantes de chaleur (ou de fraîcheur en été). Par ailleurs, plus l’inertie est forte, plus le matériau mettra de temps à s’échauffer ou à se refroidir ; plus l’inertie est faible, moins il en mettra.
La figure 1.7 montre, d’une part, l’importance d’interposer une barrière thermique entre l’inté- rieur et l’extérieur grâce à la présence de l’isolant ; d’autre part, qu’une isolation intérieure réduit presque totalement la possibilité de stockage du mur.
Ainsi, si l’on souhaite un tampon thermique important, il est conseillé de choisir des maté- riaux à capacité thermique élevée et de les lais- ser en contact direct avec l’ambiance du local. Une inertie thermique importante n’est pas inté- ressante uniquement en été ; en mi-saison et en hiver, elle permet de stocker une partie de la cha- leur solaire qui pénètre dans le bâtiment par les fenêtres pour limiter la demande de chauffage en soirée.
Néanmoins, une inertie importante n’est pas conseillée pour tout type de local, notamment pour les locaux peu occupés, car elle entraîne des
Dans le cas de faibles changements de température et de faibles flux solaires, on peut admettre que les températures à l’intérieur des volumes considérés et des structures sont uniformes et qu’en consé- quence tout le volume concerné varie en tempé- rature en fonction de ces faibles changements. La dynamique de ce phénomène n’est alors fonction que de la capacité thermique Cth qui caractérise alors bien « l’inertie thermique » du bâtiment. Cette notion, généralement la mieux comprise, corres- pond à la situation la moins dynamique.
Dans le cas où les températures varient bruta- lement et où l’on a un fort ensoleillement, il faut distinguer les parois qui sont exposées au rayon- nement solaire de celles qui ne le sont pas. En effet, la paroi soumise à un flux constant tel qu’un fort ensoleillement voit sa répartition interne de températures varier très rapidement en fonction du temps et de la profondeur considérée. Cette variation dépend de la diffusivité. Ainsi, certains lieux du bâtiment ont des températures d’environ- nement radiatif élevées. À la suite de ce proces- sus, il est possible d’obtenir une surchauffe des locaux. La température opérative s’élève du fait de l’augmentation simultanée de la température d’environnement radiatif et de la température ambiante. Ce phénomène « rapide » entraîne un saut de température de surface des parois non exposées. La densité de flux que ces parois non exposées sont capables d’absorber est directe- ment caractérisée par l’effusivité, et indirectement par la surface de ces parois non exposées.
Lorsqu’il existe de tels apports passifs (solaires) dans un bâtiment, l’inconfort par surchauffe est d’autant plus important que l’effusivité est faible et que la surface d’échange est faible. Et, à confort et perte thermique identiques, il y a d’autant plus d’accumulation de chaleur passive et donc de res- titution décalée dans le temps que l’effusivité des parois est grande.
Ainsi, pour ce type de phénomène thermique dyna- mique, le confort et le captage solaire dépendent essentiellement des surfaces absorbantes
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difficultés de régulation du chauffage, à cause du temps de relance plus long et du manque de réac- tivité du local.
Une masse thermique importante et accessible est à prévoir dans : • les locaux à occupation de jour dans les logements, le séjour par exemple ; • les locaux fortement ensoleillés ; • les locaux avec de fortes charges internes (ordinateurs, occupants…).
Pour résumer, la propriété des constructions à forte inertie est de conserver une température stable et de se réchauffer ou de se refroidir très lentement, alors que les constructions à faible inertie suivent sans amortissement ni retard les fluctuations de température. Ainsi, pour l’été, une construction
à forte inertie thermique associée à une ventila- tion traversante de nuit permettra, pour certaines régions, d’assurer le confort thermique sans avoir recours à une climatisation. En mi-saison et en hiver, elle permet de stocker une partie de la chaleur solaire qui pénètre dans le bâtiment et limite ainsi la demande de chauffage.
En conclusion, les observations thermographiques d’un bâtiment, qui ont lieu à un instant donné sans connaître l’histoire thermique immédiate et récente du bâtiment, sont susceptibles de donner lieu à controverse. Comprendre ce fait est de la plus haute nécessité en thermographie du bâtiment et évitera la programmation incorrecte des interventions ainsi que la fantaisie dans les interprétations. (Se reporter à l’annexe 1 : « Quelques exercices élé- mentaires de thermique ».)
20
°C
15
10
5
0
brique de 5 cm parpaing
paroi b  - même paroi que la paroi A, mais la lame d’air est remplacée par un isolant en liège expansé de 6 cm.
20
°C
15
10
5
0
stockage
plâtre
enduitisolant
parpaing
paroi c  - même composition que la paroi b (donc même résistance thermique globale), mais avec l’isolant placé directement à l’intérieur sans contre-cloison.
20
°C
15
10
5
0
brique de 5 cm parpaing
figure 1.7 - variation de température dans une paroi. paroi A - paroi en parpaings de ciment de 20 cm non isolée avec une lame d’air de 6 cm et contre- cloison en briques pleines.
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