Le Mythe du Déphasage Thermique

  • Pratiquer le Design Énergétique
  • 03 Juillet 2024
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Introduction

Parmi les marronniers de l’énergétique, le déphasage est un classique. Il revient tous les ans, au fil des canicules. Au même titre que l’inertie, le freecooling ou (plus récemment) les îlots de chaleur urbains, le terme réapparaît pour évoquer toutes ces solutions de bon sens qui permettent “d’améliorer le confort d’été”.
Le mot vient avec son lot de rituels, parmi lesquels :

  • Des mentions émues du travail de Jean-Pierre Oliva et Samuel Courgey (coucou !)
  • Une recopie inlassable des “courbes comparatives” des temps de déphasage entre les isolants minéraux et les isolants biosourcés
  • Conclusion que “pour se protéger de la chaleur, vive les biosourcés”, et “pas bien les isolants minéraux”.

(Exemple avec le guide “La notion de confort d’été dans le bâtiment” de batiment-biosource.fr)

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Je sais, je l’ai fait. Moi aussi, j’ai répété sans trop réfléchir ces mantras du constructeur écolo ravi s’asséner que non seulement le biosourcé, c’est bon pour la planète, mais qu’en plus c’est un tueur de clim. 


Sauf que... Dès qu’on y fouille avec un peu de détail, c’est un peu comme quand Frodon et Sam traversent le Marais des Morts : on a comme l’impression qu’il y a quelques cadavres qui flottent sous la surface.


Parce que ça vaut toujours le cour de revenir à la source, on s’est dit qu’il était temps de refaire connaissance avec le déphasage...

Retour aux sources

Dans le bâtiment, quand on parle de déphasage, on sort souvent avec un peu de fierté une formule de ce genre :

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Franchement, je l’aime bien. C’est pas souvent dans la vie qu’on a l’occasion de parler de racines carrées, on ne va pas bouder notre plaisir. 
Sauf que... Ce n’est pas une définition, ça. C’est une formule qui permet de calculer la valeur adéquates dans certaines conditions. 


La “vraie” définition du déphasage, c’est... La différence entre les phases de deux ondes alternatives de fréquence identique. Nous voilà bien avancés... Un peu plus clair ?


Pour le cas qui nous intéresse, ce sera le décalage temporel entre deux phases de température, en l’occurence celles les températures de deux côtés d’une paroi considérées sinusoïdales et de même période.

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Le mot important là-dedans, celui qu’il nous faut creuser, c’est “temporel”. Le déphasage dont on parle, c’est une durée, qu’on exprime en heures. Il n’y a là-dedans aucune notion énergétique, par exemple celle de “puissance transmise”. 


C’est pourtant un point fondamental. Quand on s’intéresse à l’état d’un local, toute la question est de savoir si on le “remplit” avec peu ou beaucoup d’énergie et à tel ou tel moment. Le vrai sujet, c’est un sujet d’énergie transmise par unité de surface... Ce que le déphasage ne permet pas d’évaluer.

 

Tiens, si on regardait justement un peu plus précisément ce que ça donne ?

Déphasage - un peu de calcul

Quitte à remonter aux sources, l’ami Simon Treilhou a fait ronfler les processeurs en modélisant sous COMSOL l’authentique Loi de Fourier appliquée à une paroi isolante. En faisant varier le type d’isolant et le complexe, on apprend des choses intéressantes ... Les propriétés des isolants utilisés sont :

 

Ldv : lambda 0.038 W/m/K, masse volumique à 15 kg/m3, cp à 1030 J/kg/k
Ldb : lambda 0.038 W/m/K, masse volumique à 55 kg/m3, cp à 2100 J/kg/k

 

Le premier modèle qui nous intéresse reprend les hypothèses classiques qui amènent à notre formule préférée (celle avec les formules carrées), dont celle-ci : du côté intérieur, le milieu est adiabatique. 


Si on regarde les oscillations de température à épaisseur équivalente (25 cm) de laine de verre et de laine de bois typique, alors la différence est flagrante. La température à la paroi intérieure oscille très fort avec la laine minérale (≈ 10 °C), et beaucoup moins fort avec la laine de bois (≈ 2 °C). Les temps de déphasage sont respectivement de 2h39 pour la laine de verre et 9h49 heures pour la laine de bois.

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Alleluia !!! 


Ou presque. 


Parce que faire un calcul, c’est une chose, et l’extrapoler au monde réel en est une autre. 
Dans notre cas, ça coince à deux endroits. 


Le premier, c’est que dans le vrai monde, les murs d’isolant seul, ça n’existe quasiment pas, sauf si vous vivez dans un bâtiment en paille laissée brute. Le cas général, c’est que l’isolant est recouvert d’un enduit ou d’un parement, en général beaucoup plus dense qu’un simple isolant fibreux. 


Or, que se passe-t-il si j’ajoute un tel composant dans le calcul (ici, une simple plaque de BA13, soit 1,3 cm de plâtre) ? Le résultat est très différent : les oscillations de température sont extrêmement atténuées, et l’écart entre laine de verre et laine de bois sont beaucoup moins prononcés. Les oscillations de température intérieure sont d’environ 2°C pour la laine de verre et 1°C pour la laine de bois. Les temps de déphasage sont de 6h19 (laine de verre) et de 12h37 (laine de bois).

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Aie...


Mais il y a plus sournois. 


Nous avons vu que la résolution du calcul impose de choisir des conditions aux limites. Et cette conditions, côté intérieur pour le cas qu’on vient de regarder, c’est “milieu adiabatique”. Ca veut dire quoi ? 


Qu’on fait l’hypothèse qu’aucune chaleur ne sort du matériau côté intérieur. C’est une condition problématique pour la transposition dans le vrai monde... De deux choses l’une :

  • Soit on considère la condition vraie dans le monde réel : alors s’il n’y a aucune chaleur qui passe côté intérieur... Pourquoi se prendre la tête à dire qu’on cherche à gérer les surchauffes, puisqu’on parle de situations où aucune chaleur n’entre, par hypothèse de calcul ?
  • Soit on considère qu’elle est fausse dans le monde réel : alors... Le calcul et inapplicable pour expliquer ce qui se passe en réalité.
  •  

PS :  c’est avec la méthode que nous venons de voir qu’Ubakus calcul ce genre de courbe :

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Conclusion préliminaire

Au stade où nous en sommes, nous buttons contre deux problèmes majeurs dans l’utilisation de la formule “classique” du déphasage pour justifier le “pouvoir” des isolants à fort déphasage en matière de confort d’été dans le monde réel :

1 - Sauf pour des parois de pur isolant (ce qui est fort rare), et à considérer que les hypothèses de départ sont réaliste (ce qui est fort peu probable), les écarts sur l’oscillation de température sont quasiment annulés. En réalité, la température de paroi intérieure ne varie quasiment pas. 

 

Cela nous dit que l’extrapolation d’un calcul sur un pur isolant pour justifier des résultats sur des parois complexes et pas seulement constituées d’isolants est abusive.

 

2- Le modèle de calcul avec conditions aux limites “adiabatique” côté intérieur postule qu’aucune énergie ne sort du matériau du côte intérieur. Il est inapplicable à nos situations réelles, puisqu’on veut justement savoir quelle quantité de chaleur sort du côté intérieur, et à quel moment. 


Notre première conclusion est un peu déprimante pour tous les amoureux de la jolie formule avec racine carrée : cette formule répétée à l’envi nous permet certes d’avoir l’air savant, mais pas de tirer des conclusions valides dans le monde réel. Zut... 

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250 000 vues pour ce cours sur le déphasage. Claude, il va falloir leur ré-expliquer !

Déphasage... On en fait quoi alors ?

Nous voilà bien embêtés. Comment répondre à notre question réelle, c’est à dire savoir si oui ou non, le choix d’un isolant à fort déphasage (qu’il soit biosourcé ou pas) change quelque chose aux phénomènes énergétiques dans le monde réel ?


Commençons par changer la conditions aux limites côté intérieur, puisqu’on a vu qu’elle n’a pas de sens. Nous allons utiliser une température constante. Ce n’est pas représentatif, mais c’est un cas défavorable qui maximise la quantité d’énergie transmise, et nous permet de réaliser le calcul.
Maintenant, qu’est-ce que ça donne ? 
Puisque cet article parle de déphasage, observons-le. On peut déjà voir que le déphasage (le temps de décalage entre les oscillations intérieures et extérieure)) n’est pas le même maintenant qu’on a changé les conditions aux limites.

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Là où une condition adiabatique annonçait un déphasage de 2h39 pour la laine de verre, et 9h49 heures pour la laine de bois, nous n’avons plus que 37 minutes pour la laine de verre et 6h35 pour la laine de bois. Les variations de température de la parois intérieure sont sans commune mesure (échelle différente sur la droite !) avec le modèle précédent.

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Et lorsqu’on ajoute le BA en parement intérieur 13, le déphasage pour une isolation en laine de verre passe de 6h19 annoncé à 52 minutes et de 12h37 annoncé à 7h08 pour la laine de bois.


La conclusion qui s’impose, c’est que l’approche “classique” se trompe d’un facteur de 1,5 à 6 sur le déphasage des oscillations de température dans ce cas et dès lors qu’on ajuste la condition aux limites. C’est assez fâcheux...

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Déphasage... Et l’énergie dans tout ça ?

Si on s’intéresse maintenant à la puissance qui a été transmise au travers de la paroi, alors on commence à avoir des infos utilisables dans un calcul énergétique.

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Ce qui saute aux yeux dans ces résultats exprimés en puissance, c’est qu’indépendamment du complexe (LV ou LB, avec ou sans BA13), la puissance maximale transmise varie de 0,76 à 1,37 W/m2.

Formulons-le ainsi : il y a une certes différence d’un facteur 2 entre isolant « à fort déphase » et un isolant « à faible déphasage » .. Mais sur une valeur à peu près négligeable dans le monde réel. 


Quand on compare les résultats exprimés en quantité d’énergie, nous sommes renvoyés à la même conclusion : le déphasage est un non-sujet énergétique : l’écart de comportement est absolument négligeable par rapport aux autres phénomènes énergétiques dans le monde réel.

Mise en perspective des puissances

Précisons à quel point la modulation de transmission de puissance par les parois opaques selon le déphasage de l’isolant est un sujet anecdotique, en le comparant aux autres puissances mises en jeu sur un cas typique. 


Par exemple, dans ma salle de bain, qui en vaut bien une autre...


Si je fais l’inventaire des apports possibles de puissance entrante maximale sur une journée d’insouciance (genre, je m’en fiche de tout ça), voilà ce que ça donne :

  • Gain max par la fenêtre de toit : 1 m2 de vitrage = 700 W
  • Gain max par les parois opaques (LV+BA13) : 10m2 * 1,3 W/m2 = 13 W
  • Gain par les courants d’air  à 1 vol/h, Text à 30°C = 100 W
  • Je laisse de côté mon lave-linge, et je n’ai pas de sèche-linge.

 

Même avec ces données très approximatives, on voit qu’un éventuel changement d’isolant modifierait la contribution des parois opaques de 13 W à 7,6W. 


Mon bilan de puissance changerai donc de... 5,4 W, soit... 0,6%

Et en bilan énergétique ?

En petit bonus, juste pour le plaisir (puisque tout cela, comme on l’a vu, ne change quasi rien dans le monde réel...), on peut noter un phénomène amusant. 


La laine de bois applatit mieux la courbe de puissance que la laine de verre, c’est à dire que les puissances maximales transmises seront moins importantes. On avait un pouième d’énergie transmise avec la laine de verre, on n’a plus qu’un demi-pouième avec la laine de bois. 


Mais le résultat s’inverse si on regarde le bilan énergétique sur 24 heures (un cycle) : c’est la laine de bois qui laisse passer le plus d’énergie vers l’intérieur. Cela nous renvoie à l’intuition initiale quant au rôle du déphasage : on repousse le moment où l’énergie entre, ce qui peut nous aider à gérer les ambiances pour peu qu’on organise le destockage au bon moment.


Enfin, en principe, puisque de toutes façons, c’est vraiment très, très peu d’énergie...


Et cette notion de “bon moment” reste, elle, fondamentale, qu’on l’applique aux apports par les parois opaques ou par d’autres sources : le pilotage des locaux lors des vagues de chaleur, dans le monde réel, cela requiert la bonne action au bon moment. Encore faut-il qu’elle soit effectivement possible !

Déphasage - conclusion

La conclusion énergétique est évidente : si le déphasage comparé est bien un sujet amusant de masturbation intellectuelle, et qu’il permet à bon compte de jouer à “celui-qui-sait-lire-des-formules”, tout cela n’a au final que fort peu d’intérêt dans le monde réel.


D’abord parce que le déphasage nous parle de temps, et que la vrai question relève des quantités d’énergie. Si votre relevé de compte en banque ne comportait que des dates de transaction, vous auriez un problème, non ? Il y a bien un moment où il faut évoquer les quantités qu’on manipule...


Mais surtout parce que quand on regarde les écarts de comportement simulés, ils sont anecdotiques.


Oui, je sais, pour tous les amoureux des biosourcés (dont je suis), c’est un problème, parce que l’argument commercial du “biosourcé qui déphase et évite la clim” tombe tout seul. 


L’isolant biosourcé, dans le monde réel, ne change rien sur les phénomènes énergétiques. Il ne protège pas de la surchauffe, ou seulement à une (toute petite) marge. Et continuer à affirmer le contraire, c’est plutôt montrer qu’on n’a rien compris à ce dont on parle.


Mais le bon côté des choses c’est que ce n’est plus/pas nécessaire ne mettre une laine de bois avec une densité de plus de kg/m3 ! Un biosourcé léger fais tout aussi bien le travail. Du moment qu’il est mis en œuvre correctement.


Prenons cela comme une chance : les biosourcés ont beaucoup, beaucoup d’autres arguments à faire valoir, sur lesquels il vaut mieux insister. Il y a de nombreux arguments fondés sur lesquels justifier le choix d’un matériau biosourcé. Pourquoi aller en chercher d’autres qui ne reposent sur rien ? 
Par ailleurs, le fait de savoir de quoi il retourne permet de faire des choix éclairés, et d’éviter les choix contre-productifs. Certains peuvent être carrément dangereux. Le meilleur exemple, qu’on voit tous les jours, est de l’ordre de la “pensée magique”. Il peut se formuler ainsi : “Puisque j’ai mis de la laine-de-bois-qui-déphase-et-me-protège-des-surchauffes, j’ai réglé le problème de la surchauffe”. Or, quand on se sent protégé, on est moins vigilants. Comme ce bâtiment, vu récemment, doté de jolis murs de parements en terre crue, mais dépourvu de protection solaire. 


Malheureusement, la pensée magique n’a jamais protégé personne de l’énergétique réelle. 
Mini-Bonus pour les amoureux de la STD, ou les BE qui font du calcul sans mettre de jus de cerveau dedans : cela fait longtemps que l’on sait, par STD, qu’il est quasiment impossible de montrer l’influence du déphasage sur un modèle de simulation. En témoigne cet échange de 2008 (https://forum.izuba.fr/viewtopic.php?t=438). Certains préfèrent dire que “la STD prend mal en compte l’inertie”. On peut aussi s’assoir et réfléchir...


Mini-Bonus pour les amoureux de la mesure : pour valider ce qu’on vient de simuler, il suffit de faire de la mesure de flux thermique côté intérieur d’une paroi, et pas de température. De manière très curieuse, on ne trouve pas de comparatifs fondés sur la mesure de flux dans la littérature (enfin, si vous en avez, je suis preneur)


Bonus pour les coupeurs de cheveux en 4 : vous allez me dire qu’on a fait les calculs pour une sinusoïde avec un maximum de 30 degrés, et qu’une température de surface de toiture peut largement dépasser ces valeurs. Petits coquinous !!! On a fait les mêmes calcul avec une sinusoïde à 60 degrés. Ça ne change rien à la conclusion. 


Super bonus pour les coupeurs de cheveux en 8 : vous allez me dire que le Lambda évolue avec la température. Tout petits coquinouillets... On a fait les simulations avec un lambda variable... Ça ne change toujours rien à la conclusion .