Valeur R (isolation) - R-value (insulation)

L'aérogel est un très bon isolant thermique qui, à une pression d'un dixième d'atmosphère, a une valeur R de R-40/m, contre R-3,5/m pour une couverture en fibre de verre.
Isolant en matelas de fibre de verre installé avec sa valeur R visible (R-21)

Dans le contexte de la construction , la valeur R est une mesure de la capacité d'une barrière bidimensionnelle, telle qu'une couche d'isolant, une fenêtre ou un mur ou un plafond complet, à résister au flux de chaleur conducteur . La valeur R est la différence de température par unité de flux de chaleur nécessaire pour maintenir une unité de flux de chaleur entre la surface plus chaude et la surface plus froide d'une barrière dans des conditions de régime permanent .

La valeur R est le terme de l' industrie du bâtiment pour la résistance thermique "par unité de surface". Il est parfois noté valeur RSI si les unités SI sont utilisées. Une valeur R peut être donnée pour un matériau (par exemple pour une mousse de polyéthylène ) ou pour un assemblage de matériaux (par exemple un mur ou une fenêtre). Dans le cas des matériaux, il est souvent exprimé en termes de valeur R par mètre. Les valeurs R sont additives pour les couches de matériaux, et plus la valeur R est élevée, meilleures sont les performances.

Le facteur U ou valeur U est le coefficient de transfert de chaleur global et peut être trouvé en prenant l'inverse de la valeur R. C'est une propriété qui décrit dans quelle mesure les éléments de construction conduisent la chaleur par unité de surface à travers un gradient de température. Les éléments sont généralement des assemblages de plusieurs couches de matériaux, tels que ceux qui composent l' enveloppe du bâtiment . Elle est exprimée en watts par mètre carré Kelvin (W/m 2 K). Plus la valeur U est élevée, plus la capacité de l'enveloppe du bâtiment à résister au transfert de chaleur est faible. Une valeur U faible, ou au contraire une valeur R élevée, indique généralement des niveaux d'isolation élevés. Ils sont utiles car c'est un moyen de prédire le comportement composite d'un élément de construction entier plutôt que de se fier aux propriétés des matériaux individuels.

Définition de la valeur R

où:

  • ( Km 2 / W ) est la valeur R,
  • (K) est la différence de température entre la surface plus chaude et la surface plus froide d'une barrière,
  • (W/m 2 ) est le flux de chaleur à travers la barrière.

La valeur R par unité de surface exposée d'une barrière mesure la résistance thermique absolue de la barrière.

où:

  • est la valeur R (K⋅W −1 ⋅m 2 )
  • est la surface exposée de la barrière (m 2 )
  • est la résistance thermique absolue (K⋅W −1 )

La résistance thermique absolue , , quantifie la différence de température par unité de débit de chaleur nécessaire pour maintenir une unité de débit de chaleur. La confusion survient parfois parce que certaines publications utilisent le terme résistance thermique pour la différence de température par unité de flux thermique , mais d'autres publications utilisent le terme résistance thermique pour la différence de température par unité de débit thermique. Une confusion supplémentaire survient parce que certaines publications utilisent le caractère R pour désigner la différence de température par unité de flux de chaleur, mais d'autres publications utilisent le caractère R pour désigner la différence de température par unité de débit de chaleur. Cet article utilise le terme résistance thermique absolue pour la différence de température par unité de débit de chaleur et utilise le terme valeur R pour la différence de température par unité de flux de chaleur.

Dans tous les cas, plus la valeur R est élevée, plus la résistance est élevée, et donc meilleures sont les propriétés d' isolation thermique de la barrière. Les valeurs R sont utilisées pour décrire l'efficacité des matériaux isolants et dans l'analyse du flux de chaleur à travers les assemblages (tels que les murs, les toits et les fenêtres) dans des conditions de régime permanent. Le flux de chaleur à travers une barrière est déterminé par la différence de température entre les deux côtés de la barrière, et la valeur R quantifie l'efficacité avec laquelle l'objet résiste à cette impulsion : La différence de température divisée par la valeur R puis multipliée par la surface exposée de la barrière donne le débit total de flux de chaleur à travers la barrière, mesuré en watts ou en BTU par heure.

où:

  • est la valeur R (K⋅m 2 /W),
  • est la différence de température (K) entre la surface la plus chaude et la surface la plus froide de la barrière,
  • est la surface exposée (m 2 ) de la barrière,
  • est le débit de chaleur (W) à travers la barrière.

Tant que les matériaux impliqués sont des solides denses en contact mutuel direct, les valeurs R sont additives ; par exemple, la valeur R totale d'une barrière composée de plusieurs couches de matériau est la somme des valeurs R des couches individuelles .

Valeur RSI

Notez que la valeur R est le terme de l' industrie du bâtiment pour ce qui est dans d'autres contextes appelé " résistance thermique " " pour une unité de surface ". Il est parfois noté valeur RSI si les unités SI (métriques) sont utilisées. Une valeur R peut être donnée pour un matériau (par exemple pour une mousse de polyéthylène ) ou pour un assemblage de matériaux (par exemple un mur ou une fenêtre). Dans le cas des matériaux, il est souvent exprimé en termes de valeur R par unité de longueur (par exemple par pouce d'épaisseur). Ce dernier peut être trompeur dans le cas d'isolations thermiques de bâtiments à faible densité, pour lesquelles les valeurs R ne sont pas additives : leur valeur R par pouce n'est pas constante à mesure que le matériau s'épaissit, mais diminue généralement.

Les unités d'une valeur R (voir ci - dessous ) ne sont généralement pas explicitement indiquées, et il est donc important de décider en fonction du contexte quelles unités sont utilisées : une valeur R exprimée en unités IP (pouce-livre) est environ 5,68 fois plus grande que lorsqu'il est exprimé en unités SI, de sorte que, par exemple, une fenêtre R-2 en unités IP a un RSI de 0,35 (puisque 2/5,68 = 0,35). Pour les valeurs R, il n'y a pas de différence entre les unités usuelles américaines et les unités impériales . En ce qui concerne la façon dont les valeurs R sont rapportées, tout ce qui suit signifie la même chose : « c'est une fenêtre R-2 » ; "c'est une fenêtre R2 " ; "cette fenêtre a une valeur R de 2" ; "c'est une fenêtre avec R = 2" (et de même avec les valeurs RSI, qui incluent également la possibilité "cette fenêtre fournit RSI 0,35 de résistance au flux de chaleur").

Valeur R apparente

Plus un matériau est intrinsèquement capable de conduire la chaleur, comme le donne sa conductivité thermique , plus sa valeur R est faible. D'autre part, plus le matériau est épais, plus sa valeur R est élevée. Parfois, des processus de transfert de chaleur autres que la conduction (à savoir, la convection et le rayonnement ) contribuent de manière significative au transfert de chaleur au sein du matériau. Dans de tels cas, il est utile d'introduire une "conductivité thermique apparente", qui capture les effets des trois types de processus, et de définir la valeur R plus généralement comme l'épaisseur d'un échantillon divisée par sa conductivité thermique apparente . Certaines équations reliant cette valeur R généralisée, également connue sous le nom de valeur R apparente , à d'autres quantités sont :

où:

  • est la valeur R apparente ( K / W ) à travers l'épaisseur de l'échantillon,
  • est l'épaisseur ( m ) de l'échantillon (mesurée sur un trajet parallèle au flux de chaleur),
  • est la conductivité thermique apparente de la matière ( W / ( Km )),
  • est le coefficient de transmission thermique ou " valeur U " du matériau ( W / K ),
  • est la résistivité thermique apparente du matériau ( Km / W ).

Une valeur R apparente quantifie la quantité physique appelée isolation thermique .

Cependant, cette généralisation a un prix car les valeurs R qui incluent des processus non conducteurs peuvent ne plus être additives et peuvent avoir une dépendance significative à la température. En particulier, pour un matériau meuble ou poreux, la valeur R par pouce dépend généralement de l'épaisseur, presque toujours de sorte qu'elle diminue avec l'augmentation de l'épaisseur ( le polyisocyanurate ("polyiso") étant une exception ; sa valeur R/pouce augmente avec épaisseur). Pour des raisons similaires, la valeur R par pouce dépend également de la température du matériau, augmentant généralement avec la diminution de la température (le polyiso étant à nouveau une exception); une nappe de fibre de verre nominalement R-13 peut être R-14 à -12 °C (10 °F) et R-12 à 43 °C (109 °F). Néanmoins, dans la construction, il est courant de traiter les valeurs R comme indépendantes de la température. Notez qu'une valeur R peut ne pas tenir compte des processus radiatifs ou convectifs à la surface du matériau , ce qui peut être un facteur important pour certaines applications.

La valeur R est l'inverse de la transmission thermique ( facteur U ) d'un matériau ou d'un assemblage. L'industrie de la construction américaine préfère cependant utiliser les valeurs R, car elles sont additives et parce que des valeurs plus élevées signifient une meilleure isolation, ce qui n'est pas le cas pour les facteurs U.

Facteur U/valeur U

Le facteur U ou la valeur U est le coefficient de transfert de chaleur global qui décrit dans quelle mesure un élément du bâtiment conduit la chaleur ou le taux de transfert de chaleur (en watts) à travers un mètre carré d'une structure divisé par la différence de température à travers la structure . Les éléments sont généralement des assemblages de plusieurs couches de composants tels que ceux qui composent les murs/planchers/toits, etc. Il est exprimé en watts par mètre carré kelvin W/(m 2 K). Cela signifie que plus la valeur U est élevée, plus la performance thermique de l'enveloppe du bâtiment est mauvaise. Une faible valeur U indique généralement des niveaux d'isolation élevés. Ils sont utiles car c'est un moyen de prédire le comportement composite d'un élément de construction entier plutôt que de se fier aux propriétés des matériaux individuels.

Dans la plupart des pays, les propriétés de matériaux spécifiques (tels que l'isolation) sont indiquées par la conductivité thermique , parfois appelée valeur k ou valeur lambda ( minuscule). La conductivité thermique (valeur k) est la capacité d'un matériau à conduire la chaleur ; par conséquent, plus la valeur k est faible, meilleur est le matériau pour l'isolation. Le polystyrène expansé (EPS) a une valeur k d'environ 0,033 W/(m⋅K). À titre de comparaison, l'isolant en mousse phénolique a une valeur k d'environ 0,018 W/(m⋅K), tandis que le bois varie de 0,15 à 0,75 W/(m⋅K), et l'acier a une valeur k d'environ 50,0 W/ (m⋅K). Ces chiffres varient d'un produit à l'autre, de sorte que le Royaume-Uni et l'UE ont établi une norme 90/90, ce qui signifie que 90 % du produit sera conforme à la valeur k indiquée avec un niveau de confiance de 90 % tant que le chiffre cité est indiqué. comme valeur lambda 90/90.

U est l'inverse de R avec les unités SI de W/(m 2 ⋅K) et les unités US de BTU/(h⋅°F⋅ft 2 )

où est le flux de chaleur , est la différence de température à travers le matériau, k est le coefficient de conductivité thermique du matériau et L est son épaisseur. Dans certains contextes, U est appelé conductance de surface unitaire.

Voir aussi : tog (unité) ou grade global thermique (où 1 tog = 0,1 m 2 ·K/W), utilisé pour l' évaluation de la couette .

Le terme facteur U est généralement utilisé aux États-Unis et au Canada pour exprimer le flux de chaleur à travers des assemblages entiers (tels que les toits, les murs et les fenêtres). Par exemple, les codes énergétiques tels que ASHRAE 90.1 et l'IECC prescrivent des valeurs U. Cependant, la valeur R est largement utilisée dans la pratique pour décrire la résistance thermique des produits d'isolation, des couches et de la plupart des autres parties de l'enceinte du bâtiment (murs, sols, toits). D'autres régions du monde utilisent plus couramment la valeur U/facteur U pour les éléments de l'ensemble de l'enceinte du bâtiment, y compris les fenêtres, les portes, les murs, le toit et les dalles de sol.

Unités : métrique (SI) par rapport à pouce-livre (IP)

L'unité SI (métrique) de la valeur R est

kelvin mètre carré par watt (K⋅m 2 /W ou, également, °C⋅m 2 /W),

alors que l'unité IP (pouce-livre) est

degré Fahrenheit pied- heure par unité thermique britannique (°F⋅ft 2 ⋅h/BTU).

Pour les valeurs R, il n'y a pas de différence entre les unités américaines et impériales , la même unité IP est donc utilisée dans les deux.

Certaines sources utilisent « RSI » pour faire référence aux valeurs R en unités SI.

Les valeurs R exprimées en unités IP sont environ 5,68 fois plus élevées que les valeurs R exprimées en unités SI. Par exemple, une fenêtre R-2 dans le système IP est d'environ RSI 0,35, puisque 2/5,68 0,35.

Dans les pays où le système SI est généralement utilisé, les valeurs R seront également normalement données en unités SI. Cela comprend le Royaume-Uni, l'Australie et la Nouvelle-Zélande.

Les valeurs IP sont généralement données aux États-Unis et au Canada, bien qu'au Canada, les valeurs IP et RSI soient normalement répertoriées.

Étant donné que les unités ne sont généralement pas explicitement indiquées, il faut décider en fonction du contexte quelles unités sont utilisées. À cet égard, il est utile de garder à l'esprit que les valeurs R IP sont 5,68 fois supérieures aux valeurs R SI correspondantes.

Plus précisément,

Valeur R (en IP) = valeur RSI (en SI) × 5,678263337
Valeur RSI (en SI) = valeur R (en IP) × 0,1761101838

Différents types d'isolation

Le gouvernement australien explique que les valeurs R totales requises pour la structure du bâtiment varient en fonction de la zone climatique. "Ces matériaux comprennent des blocs de béton cellulaire, des blocs de polystyrène expansé creux, des ballots de paille et des feuilles de polystyrène extrudé enduit."

En Allemagne, après la loi Energieeinsparverordnung (EnEv) introduite en 2009 (10 octobre) concernant les économies d'énergie, tous les nouveaux bâtiments doivent démontrer une capacité à rester dans certaines limites de la valeur U pour chaque matériau de construction particulier. De plus, l'EnEv décrit le coefficient maximum pour chaque nouveau matériau si des pièces sont remplacées ou ajoutées aux structures debout.

Le département américain de l'Énergie a recommandé des valeurs R pour des régions données des États-Unis sur la base des coûts énergétiques locaux généraux pour le chauffage et la climatisation, ainsi que le climat d'une région. Il existe quatre types d'isolants : en rouleaux et en nattes, en vrac, en mousse rigide et en mousse en place. Les rouleaux et les nattes sont généralement des isolants flexibles qui viennent en fibres, comme la fibre de verre. L'isolant en vrac se présente sous forme de fibres ou de granulés en vrac et doit être soufflé dans un espace. La mousse rigide est plus chère que la fibre, mais a généralement une valeur R plus élevée par unité d'épaisseur. L'isolant en mousse peut être soufflé dans de petites zones pour contrôler les fuites d'air, comme celles autour des fenêtres, ou peut être utilisé pour isoler une maison entière.

Épaisseur

L'augmentation de l'épaisseur d'une couche isolante augmente la résistance thermique. Par exemple, doubler l'épaisseur d'un matelas de fibre de verre doublera sa valeur R, peut-être de 2,0 m 2 ⋅K/W pour 110 mm d'épaisseur, jusqu'à 4,0 m 2 ⋅K/W pour 220 mm d'épaisseur. Le transfert de chaleur à travers une couche isolante est analogue à l'ajout de résistance à un circuit en série avec une tension fixe. Cependant, cela ne tient qu'approximativement parce que la conductivité thermique effective de certains matériaux isolants dépend de l'épaisseur. L'ajout de matériaux pour envelopper l'isolant, tels que les cloisons sèches et les parements, fournit une valeur R supplémentaire mais généralement beaucoup plus petite.

Les facteurs

De nombreux facteurs entrent en jeu lors de l'utilisation des valeurs R pour calculer la perte de chaleur pour un mur particulier. Les valeurs R du fabricant s'appliquent uniquement à l'isolation correctement installée. Écraser deux couches de molleton dans l'épaisseur prévue pour une couche augmentera mais ne doublera pas la valeur R. (En d'autres termes, la compression d'un matelas en fibre de verre diminue la valeur R du matelas mais augmente la valeur R par pouce.) Un autre facteur important à considérer est que les montants et les fenêtres fournissent un chemin de conduction thermique parallèle qui n'est pas affecté par le R de l'isolant. -valeur. L'implication pratique de ceci est que l'on pourrait doubler la valeur R de l'isolant installé entre les éléments de charpente et réaliser une réduction substantiellement inférieure à 50 pour cent de la perte de chaleur. Lorsqu'il est installé entre des montants muraux, même une isolation murale parfaite élimine uniquement la conduction à travers l'isolant, mais laisse inchangée la perte de chaleur par conduction à travers des matériaux tels que les fenêtres en verre et les montants. L'isolant installé entre les poteaux peut réduire, mais n'élimine généralement pas, les pertes de chaleur dues aux fuites d'air à travers l'enveloppe du bâtiment. L'installation d'une couche continue d'isolant en mousse rigide sur le côté extérieur du revêtement mural interrompra le pont thermique à travers les poteaux tout en réduisant le taux de fuite d'air.

Le rôle principal

La valeur R est une mesure de la capacité d'un échantillon d'isolant à réduire le débit de chaleur dans des conditions de test spécifiées. Le principal mode de transfert de chaleur entravé par l'isolation est la conduction, mais l'isolation réduit également les pertes de chaleur par les trois modes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement. La perte de chaleur principale à travers un espace rempli d'air non isolé est la convection naturelle , qui se produit en raison des changements de densité de l'air avec la température. L'isolation retarde considérablement la convection naturelle, faisant de la conduction le principal mode de transfert de chaleur. Les isolants poreux accomplissent cela en emprisonnant l'air de sorte que les pertes de chaleur par convection importantes soient éliminées, ne laissant que la conduction et le transfert de rayonnement mineur. Le rôle principal d'une telle isolation est de rendre la conductivité thermique de l'isolation celle de l'air piégé et stagnant. Cependant, cela ne peut pas être pleinement réalisé car la laine de verre ou la mousse nécessaire pour empêcher la convection augmente la conduction thermique par rapport à celle de l'air immobile. Le transfert de chaleur radiatif mineur est obtenu en ayant de nombreuses surfaces interrompant une « vue dégagée » entre les surfaces intérieures et extérieures de l'isolant, comme la lumière visible est interrompue du passage à travers les matériaux poreux. De telles surfaces multiples sont abondantes en molleton et en mousse poreuse. Le rayonnement est également minimisé par les surfaces extérieures à faible émissivité (hautement réfléchissantes) telles que le papier d'aluminium. Une conductivité thermique inférieure ou des valeurs R plus élevées peuvent être obtenues en remplaçant l'air par de l'argon lorsque cela est possible, comme dans une isolation spéciale en mousse à pores fermés, car l' argon a une conductivité thermique inférieure à celle de l'air.

Général

Le transfert de chaleur à travers une couche isolante est analogue à la résistance électrique . Les transferts de chaleur peuvent être calculés en pensant à la résistance en série avec un potentiel fixe, sauf que les résistances sont des résistances thermiques et le potentiel est la différence de température d'un côté du matériau à l'autre. La résistance de chaque matériau au transfert de chaleur dépend de la résistance thermique spécifique [valeur R]/[épaisseur unitaire], qui est une propriété du matériau (voir tableau ci-dessous) et de l'épaisseur de cette couche. Une barrière thermique qui est composée de plusieurs couches aura plusieurs résistances thermiques dans l'analogue avec des circuits, chacun en série. Analogue à un ensemble de résistances en parallèle, un mur bien isolé avec une fenêtre mal isolée permettra proportionnellement plus de chaleur à passer par la fenêtre (faible R), et une isolation supplémentaire dans le mur n'améliorera que de manière minime le R- global. valeur. En tant que telle, la section d'un mur la moins bien isolée jouera le plus grand rôle dans le transfert de chaleur par rapport à sa taille, de la même manière que la plupart des courants circulent à travers la résistance de résistance la plus faible d'un réseau parallèle. Par conséquent, s'assurer que les fenêtres, les coupures de service (autour des fils/tuyaux), les portes et autres coupures dans un mur sont bien scellées et isolées est souvent le moyen le plus rentable d'améliorer l'isolation d'une structure, une fois que les murs sont suffisamment isolés.

Comme la résistance dans les circuits électriques, l'augmentation de la longueur physique (pour l'isolation, l'épaisseur) d'un élément résistif, comme le graphite par exemple, augmente linéairement la résistance ; le double de l'épaisseur d'une couche signifie le double de la valeur R et la moitié du transfert de chaleur ; quadruple, quarts; etc. En pratique, cette relation linéaire ne s'applique pas toujours aux matériaux compressibles tels que la laine de verre et le ouate dont les propriétés thermiques changent lorsqu'ils sont comprimés. Ainsi, par exemple, si une couche d'isolant en fibre de verre dans un grenier offre une résistance thermique R-20, l'ajout d'une deuxième couche ne doublera pas nécessairement la résistance thermique car la première couche sera comprimée par le poids de la seconde.

Calcul des pertes de chaleur

Pour trouver la perte de chaleur moyenne par unité de surface, il suffit de diviser la différence de température par la valeur R de la couche.

Si l'intérieur d'une maison est à 20 °C et la cavité du toit à 10 °C, la différence de température est de 10 °C (ou 10 K). En supposant un plafond isolé au RSI 2.0 (R = 2 m 2 ⋅K/W), l'énergie sera perdue à un taux de 10 K / (2 K⋅m 2 /W) = 5 watts pour chaque mètre carré de plafond. La valeur RSI utilisée ici est pour la couche isolante réelle (et non par unité d'épaisseur d'isolant).

Des relations

Épaisseur

La valeur R ne doit pas être confondue avec la propriété intrinsèque de la résistivité thermique et son inverse, la conductivité thermique . L'unité SI de résistivité thermique est le K⋅m/W. La conductivité thermique suppose que le transfert de chaleur du matériau est linéairement lié à son épaisseur.

Plusieurs couches

Lors du calcul de la valeur R d'une installation multicouche, les valeurs R des couches individuelles sont ajoutées :

Valeur R (film d'air extérieur) + Valeur R (brique) + Valeur R (revêtement) + Valeur R (isolation) + Valeur R (plaque de plâtre) + Valeur R (film d'air intérieur) = Valeur R ( totale) .

Pour tenir compte des autres composants d'un mur tels que la charpente, calculez d'abord la valeur U (=1/valeur R) de chaque composant, puis la valeur U moyenne pondérée en fonction de la surface. La valeur R moyenne sera 1/(cette valeur U moyenne). Par exemple, si 10 % de la surface est constituée de 4 pouces de bois résineux (valeur R 5,6) et 90 % est de 2 pouces d'aérogel de silice (valeur R 20), la valeur U pondérée en fonction de la surface est 0,1/5,6 + 0,9/ 20 = 0,0629 et la valeur R pondérée est 1/0,0629 = 15,9.

Controverse

Conductivité thermique versus conductivité thermique apparente

La conductivité thermique est classiquement définie comme le taux de conduction thermique à travers un matériau par unité de surface par unité d'épaisseur par unité de différence de température (ΔT). L'inverse de la conductivité est la résistivité (ou R par unité d'épaisseur). La conductance thermique est le taux de flux de chaleur à travers une unité de surface à l'épaisseur installée et à tout ΔT donné.

Expérimentalement, la conduction thermique est mesurée en mettant le matériau en contact entre deux plaques conductrices et en mesurant le flux d'énergie nécessaire pour maintenir un certain gradient de température.

Dans la plupart des cas, le test de la valeur R de l'isolation est effectué à une température constante, généralement d'environ 70 °F (21 °C) sans mouvement d'air environnant. Étant donné qu'il s'agit de conditions idéales, la valeur R indiquée pour l'isolation sera presque certainement plus élevée qu'elle ne le serait en utilisation réelle, car la plupart des situations avec isolation sont dans des conditions différentes.

Une définition de la valeur R basée sur la conductivité thermique apparente a été proposée dans le document C168 publié par l'American Society for Testing and Materials. Cela décrit la chaleur transférée par les trois mécanismes : conduction, rayonnement et convection.

Le débat persiste parmi les représentants de différents segments de l'industrie américaine de l'isolation lors de la révision des réglementations de la FTC américaine sur les valeurs R publicitaires illustrant la complexité des problèmes.

Température de surface en relation avec le mode de transfert de chaleur

L'utilisation d'un seul modèle de laboratoire pour évaluer simultanément les propriétés d'un matériau à résister au chauffage conduit, rayonné et convectif présente des faiblesses. La température de surface varie en fonction du mode de transfert de chaleur.

Si nous supposons un transfert de chaleur idéalisé entre l'air de chaque côté et la surface de l'isolant, la température de surface de l'isolant serait égale à la température de l'air de chaque côté.

En réponse au rayonnement thermique, la température de surface dépend de l' émissivité thermique du matériau. Les surfaces à faible émissivité telles que les feuilles métalliques brillantes réduiront le transfert de chaleur par rayonnement.

La convection modifiera le taux de transfert de chaleur entre l'air et la surface de l'isolant, en fonction des caractéristiques d'écoulement de l'air (ou d'un autre fluide) en contact avec celui-ci.

Avec plusieurs modes de transfert de chaleur, la température de surface finale (et donc le flux d'énergie observé et la valeur R calculée) dépendra des contributions relatives du rayonnement, de la conduction et de la convection, même si la contribution énergétique totale reste la même.

Il s'agit d'une considération importante dans la construction de bâtiments, car l'énergie thermique arrive sous différentes formes et proportions. La contribution des sources de chaleur radiatives et conductrices varie également tout au long de l'année et les deux sont des contributeurs importants au confort thermique

Pendant la saison chaude, le rayonnement solaire prédomine comme source de gain de chaleur. Selon la loi de Stefan-Boltzmann , le transfert de chaleur radiatif est lié à la puissance quatrième de la température absolue (mesurée en kelvins : T [K] = T [°C] + 273.16). Par conséquent, un tel transfert est le plus important lorsque l'objectif est de refroidir (c'est-à-dire lorsque le rayonnement solaire a produit des surfaces très chaudes). D'autre part, les modes de déperdition de chaleur par conduction et par convection jouent un rôle plus important pendant les mois les plus froids. À des températures ambiantes aussi basses, les isolants traditionnels en fibre, plastique et cellulose jouent de loin le rôle principal : la composante de transfert de chaleur radiative est beaucoup moins importante, et la principale contribution de la barrière contre les rayonnements réside dans sa contribution supérieure à l'étanchéité à l'air. En résumé : les demandes d'isolation par barrière radiante sont justifiables à des températures élevées, généralement lorsqu'il s'agit de minimiser le transfert de chaleur en été ; mais ces allégations ne sont pas justifiables dans des conditions hivernales traditionnelles (maintien au chaud).

Les limites des valeurs R dans l'évaluation des barrières radiantes

Contrairement aux isolateurs en vrac, les barrières radiantes résistent mal à la chaleur conduite. Les matériaux tels que les feuilles réfléchissantes ont une conductivité thermique élevée et fonctionneraient mal comme isolant conducteur. Les barrières radiantes retardent le transfert de chaleur par deux moyens : en réfléchissant l'énergie radiante loin de sa surface irradiée et en réduisant l'émission de rayonnement de son côté opposé.

La question de savoir comment quantifier les performances d'autres systèmes tels que les barrières radiantes a suscité une controverse et une confusion dans l'industrie du bâtiment avec l'utilisation de valeurs R ou de « valeurs R équivalentes » pour des produits dotés de systèmes totalement différents d'inhibition du transfert de chaleur. (Aux États-Unis, la R-Value Rule du gouvernement fédéral établit une définition légale de la valeur R d'un matériau de construction ; le terme « valeur R équivalente » n'a pas de définition légale et n'a donc pas de sens.) Selon les normes actuelles, R -les valeurs sont les plus fiables pour les matériaux d' isolation en vrac . Tous les produits cités à la fin en sont des exemples.

Le calcul des performances des barrières radiantes est plus complexe. Avec une bonne barrière radiante en place, la plupart des flux de chaleur se font par convection, ce qui dépend de nombreux facteurs autres que la barrière radiante elle-même. Bien que les barrières radiantes aient une réflectivité élevée (et une faible émissivité ) sur une gamme de spectres électromagnétiques (y compris la lumière visible et UV), leurs avantages thermiques sont principalement liés à leur émissivité dans la gamme infrarouge. Les valeurs d'émissivité sont la métrique appropriée pour les barrières radiantes. Leur efficacité lorsqu'ils sont utilisés pour résister au gain de chaleur dans des applications limitées est établie, même si la valeur R ne les décrit pas de manière adéquate.

Détérioration

Vieillissement de l'isolation

Alors que la recherche manque sur la dégradation à long terme de la valeur R dans l'isolation, des recherches récentes indiquent que les valeurs R des produits peuvent se détériorer avec le temps. Par exemple, le compactage de la cellulose en vrac crée des vides qui réduisent les performances globales ; ceci peut être évité par un emballage dense lors de l'installation initiale. Certains types d' isolant en mousse , tels que le polyuréthane et le polyisocyanurate, sont soufflés sous forme de gaz lourds tels que les chlorofluorocarbures (CFC) ou les hydrochlorofluorocarbures (HFC). Cependant, avec le temps, ces gaz se diffusent hors de la mousse et sont remplacés par de l'air, réduisant ainsi la valeur R effective du produit. Il existe d'autres mousses qui ne changent pas de manière significative avec le vieillissement car elles sont soufflées avec de l'eau ou sont à cellules ouvertes et ne contiennent pas de CFC ou de HFC piégés (par exemple, des mousses à faible densité d'une demi-livre). Sur certaines marques, des tests sur vingt ans n'ont montré ni retrait ni diminution de la valeur isolante.

Cela a conduit à une controverse quant à la façon d'évaluer l'isolation de ces produits. De nombreux fabricants évalueront la valeur R au moment de la fabrication ; les critiques soutiennent qu'une évaluation plus juste serait sa valeur établie. L'industrie des mousses a adopté la méthode LTTR (Long-Term Thermal Resistance), qui évalue la valeur R sur la base d'une moyenne pondérée sur 15 ans. Cependant, le LTTR ne fournit effectivement qu'une valeur R âgée de huit ans, courte à l'échelle d'un bâtiment qui peut avoir une durée de vie de 50 à 100 ans.

Des recherches ont été menées par le US Army Engineer Research and Development Center sur la dégradation à long terme des matériaux isolants. Les valeurs de dégradation ont été obtenues à partir d'essais en laboratoire à court terme sur des matériaux exposés à diverses conditions de température et d'humidité. Les résultats indiquent que l'absorption d'humidité et la perte d'agent gonflant (dans la mousse de polyuréthane pulvérisée à cellules fermées) étaient les principales causes de la perte de la valeur R. La fibre de verre et le polystyrène extrudé ont conservé plus de 97 % de leurs valeurs R initiales, tandis que les aérogels et le polyuréthane à cellules fermées ont connu une réduction de 15 % et 27,5 %, respectivement. Les résultats permettent de conclure qu'une loi de décroissance exponentielle peut être appliquée à la réduction des valeurs R au fil du temps pour les polyuréthanes à cellules fermées et les couvertures d'aérogel.

Infiltration

Une attention correcte aux mesures d'étanchéité à l'air et la prise en compte des mécanismes de transfert de vapeur sont importantes pour le fonctionnement optimal des isolateurs en vrac. L'infiltration d'air peut permettre un transfert de chaleur par convection ou la formation de condensation, qui peuvent tous deux dégrader les performances d'un isolant.

L'une des principales valeurs de l'isolant en mousse pulvérisée est sa capacité à créer un joint étanche à l'air (et dans certains cas, étanche à l'eau) directement contre le substrat afin de réduire les effets indésirables des fuites d'air.

Mesures in situ de la valeur R

La détérioration des valeurs R est particulièrement problématique lors de la définition de l'efficacité énergétique d'un bâtiment existant. Surtout dans les bâtiments plus anciens ou historiques, les valeurs R définies avant la construction peuvent être très différentes des valeurs réelles. Cela affecte grandement l'analyse de l'efficacité énergétique. Pour obtenir des données fiables, les valeurs R sont donc souvent déterminées via des mesures de la valeur U à l'emplacement spécifique (in situ). Il existe plusieurs méthodes potentielles pour cela, chacune avec ses compromis spécifiques : la thermographie, les mesures de température multiples et la méthode du flux de chaleur.

Thermographie

La thermographie est appliquée dans le secteur du bâtiment pour évaluer la qualité de l'isolation thermique d'une pièce ou d'un bâtiment. Au moyen d'une caméra thermographique, les ponts thermiques et les pièces d'isolation non homogènes peuvent être identifiés. Cependant, il ne produit aucune donnée quantitative. Cette méthode ne peut être utilisée que pour approximer la valeur U ou la valeur R inverse.

Installation de mesure de flux de chaleur
Résultats de mesure du flux de chaleur

Mesures de température multiples

Cette approche est basée sur trois mesures de température ou plus à l'intérieur et à l'extérieur d'un élément de construction. En synchronisant ces mesures et en faisant quelques hypothèses de base, il est possible de calculer le flux de chaleur indirectement, et ainsi de dériver la valeur U d'un élément de construction. Les conditions suivantes doivent être remplies pour des résultats fiables :

  • Différence entre température intérieure et extérieure, idéal > 15 K
  • Conditions constantes
  • Pas de rayonnement solaire
  • Pas de rayonnement thermique à proximité des mesures

Méthode de flux de chaleur

La valeur R d'un élément de construction peut être déterminée en utilisant un capteur de flux thermique en combinaison avec deux capteurs de température. En mesurant la chaleur qui circule à travers un élément de construction et en la combinant avec la température intérieure et extérieure, il est possible de définir avec précision la valeur R. Une mesure qui dure au moins 72 heures avec une différence de température d'au moins 5 °C est requise pour un résultat fiable selon les normes ISO 9869, mais des durées de mesure plus courtes donnent également une indication fiable de la valeur R. La progression de la mesure peut être visualisée sur l'ordinateur portable via le logiciel correspondant et les données obtenues peuvent être utilisées pour d'autres calculs. Des appareils de mesure pour de telles mesures de flux de chaleur sont proposés par des sociétés telles que FluxTeq, Ahlborn, greenTEG et Hukseflux.

Placer le capteur de flux de chaleur sur la surface intérieure ou extérieure de l'élément de construction permet de déterminer le flux de chaleur à travers le capteur de flux de chaleur en tant que valeur représentative du flux de chaleur à travers l'élément de construction. Le flux de chaleur à travers le capteur de flux de chaleur est le taux de flux de chaleur à travers le capteur de flux de chaleur divisé par la surface du capteur de flux de chaleur . Placer les capteurs de température sur les surfaces intérieures et extérieures de l'élément de construction permet de déterminer la température de surface intérieure, la température de surface extérieure et la différence de température entre elles. Dans certains cas, le capteur de flux thermique lui-même peut servir de capteur de température. La valeur R pour l'élément de construction est la différence de température entre les deux capteurs de température divisée par le flux de chaleur à travers le capteur de flux de chaleur . La formule mathématique est :

où:

  • est la valeur R ( KW -1m 2 ),
  • est le flux de chaleur ( Wm -2 ),
  • est la surface du capteur de flux thermique ( m 2 ),
  • est le débit de chaleur ( W ),
  • est la température de surface intérieure ( K ),
  • est la température de surface extérieure ( K ), et
  • est la différence de température ( K ) entre les surfaces intérieure et extérieure.

La valeur U peut également être calculée en prenant l'inverse de la valeur R. C'est-à-dire,

où est la valeur U ( Wm -2K -1 ).

La valeur R et la valeur U dérivées peuvent être précises dans la mesure où le flux de chaleur à travers le capteur de flux de chaleur est égal au flux de chaleur à travers l'élément de construction. L'enregistrement de toutes les données disponibles permet d'étudier la dépendance de la valeur R et de la valeur U à des facteurs tels que la température intérieure, la température extérieure ou la position du capteur de flux thermique . Dans la mesure où tous les processus de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) contribuent aux mesures, la valeur R dérivée représente une valeur R apparente.

Exemples de valeurs

Les panneaux isolés sous vide ont la valeur R la plus élevée, environ R-45 (en unités américaines) par pouce ; l'aérogel a la valeur R la plus élevée suivante (environ R-10 à R-30 par pouce), suivi des isolants en polyuréthane (PUR) et en mousse phénolique avec R-7 par pouce. Ils sont suivis de près par le polyisocyanurate (PIR) à R-5,8, le polystyrène expansé imprégné de graphite à R-5 et le polystyrène expansé (EPS) à R-4 par pouce. La cellulose en vrac, la fibre de verre (à la fois soufflée et en matelas) et la laine de roche (à la fois soufflée et en matelas) possèdent toutes une valeur R d'environ R-2,5 à R-4 par pouce.

Les balles de paille fonctionnent à environ R-2,38 à 2,68 par pouce, selon l'orientation des balles. Cependant, les maisons typiques en ballots de paille ont des murs très épais et sont donc bien isolées. La neige est d'environ R-1 par pouce. La brique a une très faible capacité isolante à un simple R-0,2 par pouce; cependant il a une masse thermique relativement bonne .

Notez que les exemples ci-dessus utilisent tous la définition américaine (non SI) pour la valeur R.

Valeurs R typiques

Valeurs RSI et valeurs R pour divers matériaux normalisées à une épaisseur de 25,4 millimètres (1,00 in). En pratique, les valeurs auront été obtenues en utilisant différentes méthodes et épaisseurs. Les valeurs typiques sont des approximations basées sur la moyenne des chiffres disponibles. La dernière colonne donne les valeurs RSI normalisées à une épaisseur de 1 mètre (3 pieds 3 pouces). Cliquer sur la colonne RSI-value trie par valeur médiane de la plage et cliquer sur la colonne R-value trie par valeur la plus basse.
Matériel Valeur RSI (m 2 · K / W ) Valeur R (pi 2 ·°F· h / BTU ) Valeur RSI (m 2 · K / W ) (par mètre)
Panneau isolé sous vide 5.28–8.8 14–66 208-346
Aérogel de silice 1,76 10.3 69
Panneau rigide en polyuréthane (CFC/HCFC expansé) initial 1,23-1,41 7–8 48–56
Panneau rigide en polyuréthane (CFC/HCFC expansé) âgé de 5 à 10 ans 1.10 6,25 43
Panneau rigide en polyuréthane ( pentane expansé) initial 1,20 6.8 47
Panneau rigide en polyuréthane (pentane expansé) âgé de 5 à 10 ans 0,97 5.5 38
Panneau rigide en polyuréthane revêtu d'une feuille (pentane expansé) 1.1–1.2 45–48
Panneau rigide en polyisocyanurate revêtu d'une feuille (pentane expansé) initial 1,20 6.8 55
Feuille face polyisocyanurate panneau rigide (pentane étendu) 5-10 ans ans 0,97 5.5 38
Mousse de pulvérisation de polyisocyanurate 0,76-1,46 4.3–8.3 30–57
Mousse de polyuréthane pulvérisée à cellules fermées 0,97-1,14 5,5–6,5 38–45
Mousse de pulvérisation phénolique 0,85-1,23 4,8-7 33–48
Isolation des vêtements Thinsulate 0,28–0,51 1,6–2,9 11-20
Panneaux urée-formaldéhyde 0,88-1,06 5-6 35–42
Cloison sèche 0,15 .9 6.2
Mousse d'urée 0,92 5.25 36,4
Polystyrène expansé extrudé (XPS) haute densité 0,88-0,95 5–5.4 26-40
Panneau de polystyrène 0,88 5.00 35
Panneau rigide phénolique 0,70-0,88 4–5 28-35
Mousse d' urée-formaldéhyde 0,70-0,81 4–4,6 28–32
Nattes en fibre de verre haute densité 0,63-0,88 3,6–5 25-35
Polystyrène expansé extrudé (XPS) basse densité 0,63–0,82 3,6–4,7 25–32
Icynene en vrac (pour le remplissage) 0,70 4 28
Polystyrène expansé moulé (EPS) haute densité 0,70 4.2 22–32
Accueil Mousse 0,69 3.9 27,0
Coques de riz 0,50 3.0 24
Nattes en fibre de verre 0,55-0,76 3.1–4.3 22-30
Ouate de coton (isolation Blue Jean) 0,65 3.7 26
Moulé expansé de polystyrène (EPS) basse densité 0,65 3,85 26
Batt de laine de mouton 0,65 3.7 26
Spray d'Icyne 0,63 3.6 25
Mousse de polyuréthane pulvérisée à cellules ouvertes 0,63 3.6 25
Papier carton 0,52–0,7 3–4 20–28
Nattes de laine de roche et de laitier 0,52-0,68 3–3,85 20–27
Cellulose en vrac 0,52-0,67 3-3.8 20–26
Aérosol cellulosique 0,52-0,67 3-3.8 20–26
Laine de roche et de laitier en vrac 0,44-0,65 2,5–3,7 17–26
Remplissage en vrac en fibre de verre 0,44-0,65 2,5–3,7 17–26
Mousse de polyéthylène 0,52 3 20
Mousse cimentaire 0,35-0,69 2-3,9 14–27
Perlite en vrac 0,48 2.7 19
Panneaux de bois, comme le revêtement 0,44 2.5 17 (9)
Panneau rigide en fibre de verre 0,44 2.5 17
Vermiculite en vrac 0,38-0,42 2.13–2.4 15-17
Vermiculite 0,38 2.13 16-17
Balle de paille 0,26 1,45 16–22
Papercrete 2.6–3.2 18–22
Résineux (la plupart) 0,25 1,41 7.7
Copeaux de bois et autres produits du bois en vrac 0,18 1 7.1
Béton cellulaire/aéré (5% d'humidité) 0,18 1 7.1
Neiger 0,18 1 7.1
Bois dur (la plupart) 0,12 0,71 5.5
Brique 0,030 0,2 1,3–1,8
Un verre 0,025 0,14 0,98
Béton coulé 0,014 0,08 0,43-0,87

Valeurs R typiques pour les surfaces

Valeurs R des surfaces non réfléchissantes pour les films d'air

Lors de la détermination de la résistance thermique globale d'un ensemble de construction tel qu'un mur ou un toit, l'effet isolant du film d'air de surface s'ajoute à la résistance thermique des autres matériaux.

Position de surface Sens du transfert de chaleur R États-Unis (hr⋅ft 2 ⋅°F/Btu) R SI (K⋅m 2 /W)
Horizontal (par exemple, un plafond plat) Vers le haut (par exemple, hiver) 0,61 0,11
Horizontal (par exemple, un plafond plat) Vers le bas (par exemple, été) 0,92 0,16
Vertical (par exemple, un mur) Horizontal 0,68 0,12
Surface extérieure, toute position, air en mouvement 6,7 m/s (hiver) N'importe quelle direction 0,17 0,030
Surface extérieure, toute position, air en mouvement 3,4 m/s (été) N'importe quelle direction 0,25 0,044

En pratique, les valeurs de surface ci-dessus sont utilisées pour les sols, les plafonds et les murs d'un bâtiment, mais ne sont pas précises pour les cavités d'air fermées, comme entre les vitres. La résistance thermique effective d'une cavité d'air fermée est fortement influencée par le transfert de chaleur radiatif et la distance entre les deux surfaces. Voir vitrage isolant pour une comparaison des valeurs R pour les fenêtres, avec quelques valeurs R efficaces qui incluent une cavité d'air.

Barrières radiantes

Matériel Valeur R apparente (Min) Valeur R apparente (Max) Référence
Isolation réfléchissante Zéro (Pour l'assemblage sans espace d'air adjacent.) R-10.7 (transfert de chaleur vers le bas), R-6.7 (transfert de chaleur horizontal), R-5 (transfert de chaleur vers le haut)

Demandez les tests de valeur R du fabricant pour votre assemblage spécifique.

Règle de la valeur R aux États-Unis

La Federal Trade Commission (FTC) régit les réclamations concernant les valeurs R afin de protéger les consommateurs contre les allégations publicitaires trompeuses et mensongères. Il a publié la règle de la valeur R.

L'objectif principal de la règle est de s'assurer que le marché de l'isolation résidentielle fournit ces informations essentielles avant l'achat au consommateur. Les informations donnent aux consommateurs la possibilité de comparer les efficacités d'isolation relatives, de sélectionner le produit avec la plus grande efficacité et le plus grand potentiel d'économies d'énergie, de faire un achat rentable et de considérer les principales variables limitant l'efficacité de l'isolation et la réalisation des économies d'énergie revendiquées.

La règle exige que des informations spécifiques sur la valeur R des produits d'isolation résidentielle soient divulguées dans certaines annonces et au point de vente. Le but de l'exigence de divulgation de la valeur R pour la publicité est d'empêcher les consommateurs d'être induits en erreur par certaines allégations qui ont une incidence sur la valeur isolante. Au moment de la transaction, certains consommateurs pourront obtenir les informations de valeur R requises sur l'étiquette apposée sur l'emballage isolant. Cependant, étant donné que les preuves montrent que les emballages ne sont souvent pas disponibles pour inspection avant l'achat, aucune information étiquetée ne serait disponible pour les consommateurs dans de nombreux cas. Par conséquent, la Règle exige qu'une fiche d'information soit mise à la disposition des consommateurs aux fins d'inspection avant qu'ils ne fassent leur achat.

Épaisseur

La règle de la valeur R spécifie :

Dans les étiquettes, les fiches d'information, les publicités ou tout autre matériel promotionnel, ne donnez pas la valeur R pour un pouce ou la "valeur R par pouce" de votre produit. Il y a deux exceptions :
une. Vous pouvez le faire si vous suggérez d'utiliser votre produit à une épaisseur d'un pouce.
b. Vous pouvez le faire si les résultats des tests réels prouvent que les valeurs R par pouce de votre produit ne diminuent pas à mesure qu'il s'épaissit.

Vous pouvez lister une plage de valeurs R par pouce. Si vous le faites, vous devez dire exactement de combien la valeur R diminue avec une plus grande épaisseur. Vous devez également ajouter cette déclaration : « La valeur R par pouce de cet isolant varie avec l'épaisseur. Plus l'isolant est épais, plus la valeur R par pouce est faible. »

Voir également

Les références

Liens externes