Ecobat Sciences & Techniques, mars 2013

Ecobat Sciences & Techniques, mars 2013

Etude hygrothermique des parois anciennes associées à des matériaux isolants

Vervisch-Fortuné Isabelle^a, Valkhoff Hans^a, Floissac Luc^a, Djahanbani Keivan^b,

Héberlé Elodie^b, Burgholzer Julien^b, Perrin Bernard ^c

a : Laboratoire de Recherche en Architecture (LRA), Toulouse France

b : Centre d’Études Techniques de l’Équipement (CETE-Est), Strasbourg

c : Laboratoire des matériaux et durabilité des constructions (LMDC), Toulouse

* : Auteur correspondant : [e-mail]

Résumé

L’objectif de réduction de la consommation énergétique vise tout particulièrement le bâti existant très consommateur en énergie primaire. Mais l'approche énergétique consistant à isoler thermiquement le bâti ancien sans prendre en compte le comportement hygroscopique global des parois et la spécificité des différents modes constructifs, risque d'altérer ces édifices à l'encontre de la durabilité recherchée. Pour répondre à cette problématique, le projet Hygroba a pour objectif d’étudier l’impact des solutions d’isolation qui pourraient être appliquées aux parois des bâtis anciens construits avant 1948. Après un état des lieux des parois existantes et la détermination par des essais, des caractéristiques physiques et hygrothermiques des matériaux et des isolants manufacturés et bio-sourcés, les différentes solutions retenues d’isolation de la paroi ancienne sont simulées à l'aide du logiciel Wufi 2D. Cela permet de suivre les flux d’humidité et de chaleur ainsi que l'évolution hydrique d'une paroi ancienne isolée sur dix ans. Pour la comparaison des résultats, des critères d’analyse comme la quantité d’eau, la capacité de séchage, le risque de condensation et l’inertie thermique de la paroi ancienne et à l'interface entre l'isolant et la paroi sont définies. Des solutions d'isolation et des principes constructifs sont proposés, en fonction du bâti existant à réhabiliter répondant à la double exigence énergétique et de pérennité du bâti.

Mots clés : Matériaux; performance hygrothermique ; réhabilitation ; bâti ancien ; isolation

Introduction

Avec la mise en place du Grenelle de l'environnement, l'objectif de réduction de la consommation énergétique vise tout particulièrement le bâti existant, très consommateur en énergie primaire et notamment en chauffage. La réglementation thermique devient de plus en plus exigeante pour limiter les consommations d’énergie dans les bâtiments neufs et permet désormais d’imposer des exigences pour la rénovation de l’existant achevé après 1948. La question se pose pour la réhabilitation des bâtiments réalisés avant cette date, appelés communément « bâti ancien » qui représentent près du tiers du parc de logements en France. Ce bâti se distingue des constructions plus contemporaines de part ses diversités et singularités constructives traditionnelles et vernaculaires et de ses qualités patrimoniales. Les travaux de rénovations thermiques du bâti ancien nécessitent donc la plus grande précaution ainsi qu’une bonne connaissance du fonctionnement hygrothermique de la paroi. D’un point de vue réglementaire, les bâtiments anciens sont soumis à la « RT élément par élément », imposant entre autres, des performances thermiques minimales (isolation minimale) pour chaque élément de l’enveloppe faisant l’objet de travaux (RTB, 2012). Mais l'approche actuelle qui consiste à isoler le bâti, en ne prenant en compte que le facteur thermique, risque d'altérer ces édifices à l'encontre de la durabilité recherchée.

La littérature a montré que l’utilisation d’isolant ou de revêtement étanche pouvait provoquer l’apparition d’humidité dans l’enveloppe des bâtiments qui est généralement attribué aux phénomènes de diffusion et de condensation de l’air humide intérieur (KUNZEL, 2003). Il y a cependant d’autres sources d’humidité, comme la pluie battante, les remontées capillaires, l’humidité lors de la construction ou de la rénovation qui peuvent aussi affecter l’ensemble du bâti, qu’il soit existant ou neuf. Il en est de même pour d’autres phénomènes comme la condensation en été, les cycles humidification-séchage, le gel-dégel, le stockage transitoire d’humidité et la perte de chaleur par évaporation, qui peuvent soit entraîner des dommages, soit augmenter la consommation d’énergie. Au contraire, en s'appuyant sur la spécificité des différents modes constructifs, du caractère vernaculaire du bâti ancien (MPF, 2007), du comportement des parois dans son ensemble, l'amélioration énergétique peut s'adapter à chaque configuration sans dégrader l'ensemble du bâti d'un point de vue constructif. De récentes études ont démontré les problèmes d’humidité liés à l’isolation par l’intérieur de bâtiments anciens en brique, en utilisant des matériaux contemporains (EVRARD, 2010). De même, le comportement hygrothermique de certains matériaux comme le chaux-chanvre (EVRARD, 2008) et (COLLET, 2004) ont fait l’objet d’étude en prenant en compte l’environnement. D’autres études comme BATAN, ont montré la complexité du comportement hygrothermique des parois dans leur globalité et démontré que pour faire évoluer les performances énergétiques du bâti ancien, il faudra tenir compte de leurs qualités hygrothermiques (inertie, hygroscopie, effusivité). Cette complexité empêche les modèles de calculs thermiques réglementaires de rendre compte pleinement des qualités thermiques des parois du bâti ancien. Cela nécessite de prendre en compte des précautions très particulières lors de la rénovation (BATAN, 2010). En effet, les parois anciennes sont composées généralement de matériaux dits « perspirants », c’est-à-dire perméables à la vapeur d’eau mais étanche à l’air. Une modification du comportement hygrothermique des parois anciennes par l’emploi de matériaux contemporains étanches, suite à une rénovation, peut engendrer des désordres importants.

L’étude présentée ici constitue une partie du travail mené dans le cadre du projet HYGROBA (Hygrométrie du bâtiment ancien), projet ayant pour objectif de mieux comprendre le comportement thermique des matériaux du bâti ancien et qui étudie la compatibilité de différentes solutions d’isolation sur des parois anciennes. L’étude est réalisée au moyen de simulations hygrothermiques dynamiques réalisées avec le logiciel WUFI 2D de l’IBP-Fraunhofer. Il s'agit de mettre en avant, à travers un exemple de simulation sur une paroi en pierre dure, les premiers résultats que peuvent donner les simulations dynamiques telles qu’elles ont été menées lors d’une étude préliminaire sur les parois anciennes en brique (HEBERLÉ, 2011-1). Cette étude avait permis de mettre au point un protocole d’étude et de relever également les contraintes que présentent de telles simulations. Cela a posé les bases de la réflexion menée tout au long du projet HYGROBA dont voici un cas particulier, la compatibilité des solutions d’isolation du bâti ancien en pierre dure.

Méthode

Pour pouvoir parvenir à l’objectif souhaité qui est de déterminer les solutions pérennes et efficaces d’un point de vue hygrothermique de différents types de parois réhabilitées, une méthodologie d’étude a été instaurée. L’étude s’est déroulée en plusieurs étapes, appelées tâches, en commençant par un état des lieux du parc existant et des différentes typologies constructives. Il a été retenu de travailler sur différents matériaux et différentes régions prenant en compte des mises en œuvre, des matériaux et des conditions climatiques très variés afin de déterminer les phénomènes physiques des transferts hygrothermiques. Les premières tâches ont consisté en l’étude des différents éléments constituants une paroi « sandwich » dite isolée : les isolants manufacturés (laine de verre, polystyrène…), les isolants bio-sourcés (fibre de bois, ouate de cellulose…), les revêtements étanches ou perspirants et les matériaux constitutifs de parois anciennes comme la pierre dure. Il n’a été retenu comme paramètres d’étude que ceux nécessaires à l’utilisation du logiciel de simulation WUFI 2D. Puis un protocole a été mis en œuvre afin de réaliser les simulations nécessaires hygrothermiques à l’étude.

Logiciel WUFI 2D :

Le logiciel WUFI 2D permet de simuler le comportement dynamique de la migration de la vapeur d’eau dans une paroi composée de plusieurs matériaux. Pour pouvoir interpréter les résultats, il est nécessaire de bien déterminer les paramètres à utiliser afin de comparer des grandeurs semblables et de connaître les limites de chaque matériau. C’est pourquoi, afin de pouvoir utiliser dans les meilleures conditions WUFI 2D et d’être au plus près de la réalité, tous les matériaux comme la pierre, la brique, le plâtre, la chaux et le pisé, relevés sur le bâti existant, ont été analysés en laboratoire. Cela a permis de choisir pour ce projet les matériaux issus de la base de données de Wufi 2D dont les caractéristiques étaient les plus proches de celles analysées sur les échantillons relevés in-situ. Il a été retenu plusieurs paramètres pour l’étude hygrométrique des parois dont les valeurs sont utilisées par Wufi, la chaleur spécifique, le facteur de diffusion de vapeur des matériaux, la teneur en eau réelle pour chaque valeur d’humidité relative, la porosité totale, la chaleur massique (valeur donnée pour un matériau sec) et la conduction thermique (valeur pour une teneur en eau nulle (λ sec)). D’autres caractéristiques ont été déterminées telles que la résistance à diffusion de la vapeur d’eau : μ_sec et μ_humide (T°=20°C et HR=50%), la teneur en eau de référence W₈₀ (kg/m3) calculée pour une humidité relative de 80% et la teneur en eau de saturation W_f . Le coefficient d’absorption A (kg/m²*s^1/2) est calculé à partir des courbes de diffusion de la vapeur d’eau selon la formule donnée par Wufi (KUNZEL, 1994):

D_ws(w)=3,8*(A²/w_f)*1000(w/w_f)^-1 avec D_ws (m²/S): coefficient de transport de liquide.

Fiches caractéristiques des matériaux:

Nom	Symbole	Unité	Hygroba
Densité apparente	ρ	kg/m^3	2440
Porosité	Φ	m^2/m^3	0,13
Chaleur spécifique	C	J/kgK	850
Conductivité thermique sèche à 10°C	λ	W/mK	2,25
Facteur de résistance à la vapeur d’eau	µ	-	140
Teneur en eau de référence	W80	kg/m^3	2,5
Point de saturation	Wf	kg/m^3	75
Coefficient d’absorption de l’eau	A	kg/m^2s^0.5
Facteur de séchage		-	10
Ratio d’augmentation de C selon HR		%/M.%	8
Teneur en eau caractéristique à la fabrication		kg/m^3	8
Coeff. Augmentation C selon T°		W/mK^2	0,0002

Tableau 1 : Paramètres pour les similations ; Source : Pierre calcaire dure – IBP – BD WUFI

Une des tâches importante de ce travail a été l’étude des caractéristiques des matériaux nécessaires à l’utilisation du logiciel WUFI 2D et à l’élaboration de fiches mentionnant les caractéristiques étudiées (tableau 1). Elles permettent de recenser un maximum de matériaux relatifs aux modes constructifs dans le bâti ancien à notre disposition dans différentes régions de France ainsi qu’un grand nombre de matériaux nécessaires à la réhabilitation comme les revêtements, les pare-vapeurs et les isolants manufacturés et bio-sourcés. A partir de ces données, le logiciel Wufi 2D permet de tracer les courbes de sorption des matériaux décrivant ainsi les états d’équilibre successifs du matériau avec le milieu ambiant (figure 1).

Figure 1 : courbe de sorption de la pierre dure calcaire sous Wufi 2D

Protocole pour les simulations de l’étude préliminaire au projet HYGROBA :

Détermination de l’arborescence des cas

Il serait possible de modéliser un nombre presque infini de parois différentes mais certaines sont soit similaires soit inacceptables. Un nombre limité de parois à étudier a été déterminé, les plus significatives possibles en prenant en compte les limites temporelles du projet. Il a été retenu 4 cas en isolation par l’extérieur et 4 cas en isolation par l’intérieur en prenant en compte le complexe isolant revêtu qui peut-être étanche E ou perméable P pour une paroi ancienne donnée (Tableau 2).

Isolation par l’extérieur (ITE)
	Côté ext .de la paroi	Paroi ancienne	Côté int. de la paroi
EE	Enduit organique, Polystyrène	pierre	Plaque plâtre + papier vinyle
EP	Enduit organique, Polystyrène	pierre	Enduit chaux
PE	Enduit chaux, panneau fibre de bois	pierre	Plaque plâtre + papier vinyle
PP	Enduit chaux, panneau fibre de bois	pierre	Enduit chaux
Isolation par l’intérieur (ITI)
	Côté ext .de la paroi	Paroi ancienne	Côté int. de la paroi
EE	Enduit ciment	pierre	Laine de roche + Plaque Platre + pap. vinyle
EP	Enduit ciment	pierre	Ouate de cellulose + FV + Plaque plâtre
PE	Enduit chaux	pierre	Laine de roche + Plaque Platre + pap. vinyle
PP	Enduit chaux	pierre	Ouate de cellulose + FV + Plaque plâtre

Tableau 2 : Détermination des configurations de parois isolées.

Géométrie/ Modélisation

Pour réaliser les simulations, WUFI-2D utilise des parois en 2 dimensions. Il faut donc pour chaque type de paroi définir une géométrie de modèle qui soit la plus réaliste, et la plus utilisée possible dans les constructions anciennes. Cette paroi ancienne réhabilitée reçoit un revêtement extérieur, une isolation et un revêtement intérieur modélisée sous WUFI de gauche à droite.

Grille

Dans un second temps, on dessine une grille qui découpera des carrés élémentaires pour les simulations. La définition de cette grille influe sur la précision des résultats, et sur le temps de calcul. A chaque interface, le pas de la grille est réduit afin d’obtenir une étude plus affinée.

Matériaux composants la paroi

Il est ensuite nécessaire de choisir les matériaux composant la paroi dans les différentes bases de données de WUFI. Dans cette étude, on s’est intéressé à des matériaux bio-sourcés comme la ouate de cellulose et les fibres de bois dans l’objectif de comprendre le comportement global d’une paroi ancienne comme la pierre dure, non hygroscopique, en association avec ces matériaux. Ces deux isolants ont des comportements hygroscopiques très différents. La ouate de cellulose, hygroscopique, est très capillaire (coefficient d’absorption A très élevé) alors que la fibre de bois, très hygroscopique, est non capillaire.

Conditions initiales et ambiantes

Les conditions initiales de la paroi sont fixées à 80% d’humidité dans tous les matériaux, et une teneur en eau correspondante selon les courbes de sorption.

Les conditions ambiantes comme les climats intérieurs et extérieurs sont aussi définis. Pour l’extérieur, il a été choisi d’utiliser le climat humide de Nancy. Le climat intérieur a été calculé par rapport au climat extérieur avec un ratio W/n=5 (W est la quantité de vapeur produite dans le local en une heure (g/h) et n le taux horaire de renouvellement d’air (m³/h)), correspondant à un climat intérieur humide pour le cas présenté ici.

Ajout de sources

Les sources modélisent des défauts d’étanchéité de la paroi ancienne isolée dans le cas de l’isolation par l’intérieur qui sont les plus regrettables et permettent l’étude de la condensation par convection. Ce sont ces défauts qui permettent à l’air chargé d’humidité de pénétrer dans la paroi rénovée et de créer des dommages. Ils sont la conséquence de la non-continuité de la membrane gérant l’apport de vapeur ou de son percement et favorisent la formation de condensation interne entre l’isolant et la paroi ancienne (KUNZEL, 2003), (DUGUÉ, 2003). De même que dans le cas de l’isolation par l’intérieur, une source additionnelle entre l’isolant et la paroi ancienne a été intégrée dans le cas de l’isolation par l’extérieur simulant ainsi les remontées capillaires.

L’objectif de l’ajout de sources d’eau simulant des défauts d’étanchéité doit permettre d’obtenir une plus grande dispersion dans les résultats des simulations et de déterminer ainsi la capacité de séchage de la paroi ancienne dans des conditions extrêmes.

Détermination des grandeurs de sortie et développement d’un outil de traitement des données

Les paramètres de simulations étant fixés, des grandeurs de sortie ont été déterminées, c’est-à-dire des grandeurs physiques révélatrices du comportement des parois, faciles à analyser par la suite. Ils se présentent sous la forme de courbes, sur les 10 années de simulation avec un pas de temps d’une heure (soit 87600 pas). Les sorties classiques du logiciel WUFI 2D sont les teneurs en eau et l’humidité relative des différents matériaux entiers ou par couches, mais on peut aussi s’intéresser à d’autres grandeurs, comme les flux d’humidité ou les isoplèthes. Développés par l’IBP-F, les isoplèthes sont des courbes d’humidité relative en fonction de la température, ils mettent en évidence les conditions de condensation et de prolifération de moisissure sur les couches superficielles des parois (KUNZEL, 1994). Les limites sont des seuils de développement de moisissures élaborées par l’IBP-F.

Les sorties privilégiées pour l’analyse sont des courbes de température, de teneurs en eau, d’humidité relative, de flux à différents endroits de la paroi. Les résultats de toutes les simulations étant de même nature, il était nécessaire d’élaborer une feuille de calculs permettant de tracer directement toutes les courbes pour chaque cas étudié. Cet outil a également permis de finaliser le protocole avec l’étude des cas « sans sources », avant de servir pour les simulations finales. Des critères d’analyse comme la quantité d’eau, la capacité de séchage, le risque de condensation, la résistance thermique et l’inertie thermique sont définies. Cela permet d’étudier le comportement de la paroi dans sa globalité ou partiellement et de comparer les différentes solutions envisagées.

Réalisation des simulations:

La réalisation d’une simulation se décompose en 5 étapes avec la préparation de la simulation sur WUFI 2D en accord avec le protocole, le calcul sous WUFI 2D, l’extraction des résultats sur WUFI Graph, l’exportation de ces résultats sur Excel, et une première analyse du comportement de la paroi et de la véracité des résultats obtenus. Une fois toutes les simulations réalisées, ces résultats doivent être analysés et interprétés. Cette interprétation n’a de validité que lorsqu’on compare les différents cas entre eux, car le calcul est basé sur trop d’hypothèses pour être absolu.

Résultats et discussion

Dans un premier temps, le travail a consisté à rendre compatibles les valeurs caractéristiques des matériaux du bâti ancien testés au laboratoire, avec ceux de la base de données de WUFI, sous un format accessible à tous. Chaque matériau a ses propres caractéristiques permettant son identification et l’on ne peut accepter de manière scientifique des données non significatives. Le plus difficile était de pouvoir récolter toutes les caractéristiques d’un même matériau par l’analyse, ce qui n’a pas pu être toujours le cas, les matériaux étant quelquefois détériorés. Il a finalement été décidé que les résultats des mesures faites au laboratoire ne serviraient qu’à titre indicatif dans le cas où une donnée manquerait, pour nous aider à choisir des matériaux correspondants dans la base de données de WUFI lorsque celle-ci était suffisamment bien référencée. Les différentes données issues d’essais sur les matériaux à notre disposition et confrontées aux données trouvées dans la littérature (COLLET, 2004) comme Masea (IBP), sont mises sous forme de tableau. Les données nécessaires à l’exploitation des résultats étant validées, les teneurs en eau globales de la paroi peuvent passer au crible de l’algorithme en vue d’en tirer des conclusions sur la rénovation hygrothermique d’une paroi isolée.

Afin de ne pas compliquer encore plus l’étude de la performance hygrothermique de la paroi en pierre dure réhabilitée, il a été pris le parti d’étudier l’influence des solutions d’isolation sur la teneur en eau dans la paroi ancienne pour s’assurer de sa pérennité sur une période de 10 ans.

La qualité d’une solution d’isolation est jugée en fonction de plusieurs critères comme le critère d’accumulation d’eau dans le matériau étudié en prenant en compte la présence ou non de sources additionnelles mais aussi l’humidité relative à l’interface entre l’isolant et la pierre. L’analyse des résultats nous permet de répondre à la question suivante à savoir si la teneur en eau de la solution étudiée atteint le régime permanent au bout de 10 ans. Pour que la solution soit acceptable, cette valeur moyenne doit être inférieure à la teneur en eau moyenne de la paroi avant isolation. Mais afin de mieux déterminer les solutions d’isolation compatibles avec la paroi ancienne, d’autres critères sont analysés, comme la capacité de séchage de la paroi, l’existence de condensation à l’interface paroi/isolant et le maintien de sa résistance thermique.

L’étude, présentée ci-après, concerne le cas d’une paroi ancienne en pierre dure associée soit à une isolation par l’extérieur soit à une isolation par l’intérieur dans la région de Nancy avec un climat intérieur humide (W/n=5).

* Cas de l’isolation par l’extérieur : critère d’accumulation d’eau

Les courbes de la figure 2 nous montrent que les solutions étanches par l’extérieur EE et EP, c’est-à-dire en polystyrène recouvert d’un enduit sont bonnes, protégeant ainsi la pierre calcaire de l’humidité extérieure.

Dans le cas d’une isolation par l’extérieur dite EE, par rapport à la configuration de base, la quantité d’eau diminue dans la pierre calcaire. En effet, la pierre calcaire est protégée de l’humidité provenant de l’extérieur grâce au polystyrène et à l’enduit organique dit étanche E, qui empêchent l’humidité, qu’elle soit sous forme liquide (eau de pluie) ou gazeuse (transfert de vapeur dû à une ambiance plus humide à l’extérieur qu’à l’intérieur), de pénétrer plus en avant dans la pierre calcaire. Elle est également protégée de l’ambiance intérieure, ici de 80% par la plaque de plâtre E qui limite son passage sous forme gazeuse. De même, la chaux, même si elle autorise le passage de l’humidité sous forme liquide et gazeuse de l’ambiance intérieure vers la pierre calcaire, autorise également ce passage en sens inverse, favorisant ainsi le séchage de la paroi vers l’ambiance intérieure, ce que montre la courbe EP sur la figure 2.

Figure 2: Teneur en eau dans la pierre dans le cas d’isolation par l’extérieur sans ajout de sources.

Dans le cas des solutions d’isolations PE et PP en fibre de bois avec enduit à la chaux, la quantité d’eau dans la paroi est plus importante que dans le cas de la paroi seule (figure 2), que l’enduit intérieur soit étanche ou perméable. La plaque de plâtre revêtu d’un vinyl en effet limite le passage de l’humidité ambiante intérieure (sous forme gazeuse ou liquide) vers la paroi de même que l’enduit à la chaux autorise le passage de l’humidité dans un sens comme dans l’autre favorisant le séchage de la paroi. La quantité d’humidité provenant de l’ambiance extérieure traverse l’enduit à la chaux et l’isolant en fibres de bois perméables et fait augmenter la teneur en eau dans la pierre calcaire. Mais le transfert de la vapeur d’eau de la paroi vers l’ambiance extérieure permet son séchage partiel.

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  Cas de l’isolation par l’intérieur : critère d’accumulation d’eau
  

Les courbes de la figure 3 montrent que dans toutes les configurations, la paroi ne parvient pas à trouver un équilibre hygrothermique au bout de dix ans avec des valeurs de teneur en eau un peu plus élevées que dans la configuration de base, c’est-à-dire sans isolation.

Dans les cas EE et EP, cela se justifie par le fait que la pierre dure calcaire ne peut sécher car le transfert de l’eau est empêché par d’une part l’enduit ciment vers l’extérieur. D’autre part, dans le cas E-E, la laine de roche et le frein-vapeur interdise son passage vers l’intérieur et dans le cas E-P, le frein­vapeur hygro­variable, bien que plutôt résistant à la diffusion de vapeur, autorise le passage d’une quantité de vapeur non négligeable de l’ambiance intérieure vers la pierre calcaire, que la paroi a par la suite du mal à évacuer, que ce soit vers l’intérieur ou vers l’extérieur. Pourtant, la ouate de cellulose et la plaque de plâtre sont très capillaires et très peu résistantes à la diffusion de vapeur, ce qui devrait favoriser le séchage vers l’intérieur l’hiver et vers l’extérieur l’été.

Figure 3: Teneur en eau dans la pierre dans le cas d’isolation par l’intérieur sans ajout de sources.

Les courbes PE et PP de la figure 3 montrent toutefois que la teneur en eau est moins importante que dans les configurations EE et EP. L’enduit à la chaux semble pouvoir gérer la quantité d’humidité provenant de l’ambiance extérieure et permettre ainsi à la pierre calcaire de sécher. Par contre, la laine de roche avec le frein-vapeur et le plâtre (PE) limitent le passage vers l’intérieur et la ouate de cellulose avec le frein­vapeur hygro­variable (PP), bien que plutôt résistant à la diffusion de vapeur, autorise le passage d’une quantité de vapeur non négligeable de l’ambiance intérieure vers la pierre calcaire, que la paroi a par la suite du mal à évacuer.
Solutions d’isolation par l‘extérieur : critères de capacité de séchage et condensation

L’étude de la teneur en eau à l’interface entre l’isolant et la paroi ancienne pour toutes les solutions d’isolation par l’extérieur a montré qu’il n’y a pas de risque de condensation. De même, a résistance thermique et l’inertie de la paroi sont très bonnes et sont maintenues dans le temps.

Figure 4: Teneur en eau dans la pierre dans le cas d’isolation par l’extérieur avec ajout de sources.

Les solutions EE et EP, en polystyrène recouvert d’un enduit permettant de protéger de l’humidité la pierre calcaire, sont compatibles avec la paroi ancienne, comme cela a été expliqué précédemment. Seulement la capacité de séchage de la paroi est très faible en présence de sources additionnelles d’humidité entre l’isolant et la paroi comme le montre la figure 4: la pierre calcaire n’atteint pas de nouvel équilibre hygrothermique pour les solutions EE et EP. Dans le cas de la solution EE, le passage de l’humidité, sous forme liquide et gazeuse, de la pierre calcaire vers l’ambiance extérieure est impossible vers l’extérieur du fait de la non-capillarité et de la forte résistance à la diffusion de vapeur d’eau du polystyrène et de l’enduit organique tout comme le plâtre revêtu de vinyl vers l’intérieur. Et malgré ses propriétés capillaires et sa résistance à la diffusion de vapeur moyenne, l’enduit chaux, pour la solution EP, ne parvient pas à évacuer vers l’intérieur l’humidité, qui s’accumule alors dans la pierre calcaire. Cela signifie que ces solutions d’isolation sont à prescrire à condition que la mise en œuvre soit bien exécutée car comme le montre la figure 2, sans présence de sources additionnelles, donc de problème d’étanchéité, la teneur en eau est très faible.

Dans les configurations PE et PP, nous avons montré que la teneur en eau dans la paroi retrouve un équilibre avec des valeurs légèrement supérieures à celles de la paroi seule. De plus, la capacité de séchage de la paroi est acceptable en présence de sources additionnelles d’humidité : la quantité d’eau augmente dans la pierre calcaire mais atteint très rapidement un nouvel équilibre hygrothermique. Le passage de la vapeur d’eau, de la pierre calcaire vers l’ambiance extérieure est favorisé par la faible résistance à la diffusion de vapeur de la fibre de bois et de l’enduit à la chaux. De même, l’enduit à la chaux facilite le passage de l’humidité, sous forme liquide et gazeuse, de la pierre calcaire vers l’ambiance intérieure.
Solutions d’isolation par l‘intérieur : critères de capacité de séchage et condensation

Dans tous les cas de configurations, il y a un risque fort de condensation à l’interface entre la paroi ancienne et l’isolant puisqu’il y a une plus grande quantité d’eau dans la pierre bâti et une capacité de séchage faible dans le cas de perméable et très faible dans le cas d’étanche à l’intérieur. En effet l’ajout de sources entre l’isolant intérieur et la pierre a montré que la pierre n’atteint pas d’équilibre hygrothermique de manière très significative dans la solution EE et PE (figure 5), le calcul n’aboutissant pas du fait de la sur-saturation en eau des matériaux.

Figure 5: Teneur en eau dans la pierre dans le cas d’isolation par l’intérieur avec ajout de sources.

Le passage de l’humidité, sous forme liquide et gazeuse, de la pierre calcaire vers l’ambiance intérieure est impossible du fait de la faible capillarité de la laine de roche et de la forte résistance à la diffusion de vapeur du frein­vapeur. De plus, l’enduit extérieur ciment, étant faiblement capillaire et résistant à la diffusion de vapeur, empêche le séchage vers l’extérieur(EE) et l’enduit à la chaux n’évacue pas suffisamment d’humidité qui est trop importante (PE).

Parmi les solutions d’isolation par l’intérieur, il est préférable d’utiliser les configurations perméables à l’intérieur. La capacité de séchage de la paroi est acceptable en présence de sources additionnelles d’humidité. La quantité d’eau dans la pierre augmente mais raisonnablement, la ouate de cellulose facilitant le passage de l’humidité, à l’état liquide et gazeux, de la pierre calcaire vers l’ambiance intérieure malgré la résistance à la diffusion de vapeur plutôt moyenne du frein­vapeur hygro­variable. La figure 5 montre bien l’accumulation d’eau plus importante dans le cas de solution E-P que P-P. L’enduit au ciment étant peu capillaire et résistant à la diffusion de vapeur, il empêche le séchage, que ce soit sous forme liquide ou gazeuse, de la pierre calcaire vers l’extérieur. Tandis que la ouate de cellulose et le plâtre, malgré la présence du frein­ vapeur hygro­variable, laisse passer l’humidité vers l’intérieur favorisant ainsi le séchage de la pierre calcaire.
L’analyse de l’ensemble des données conduit au tableau récapitulatif suivant.

Murs en pierre calcaire dure		Quantité d’eau	Capacité de séchage	Condensation	Inertie	Résistance thermique
Base
Isolation par l’extérieur	EE
	EP
	PE
	PP
Isolation par l’intérieur	EE
	EP
	PE
	PP

Tableau 3 : Récapitulatif des solutions de paroi isolée

Légende	Bon	Acceptable	Insuffisant	Mauvais

Le tableau 3 donne un aperçu des solutions envisageables de celles à proscrire. Il apparaît que l’isolation par l’intérieur n’est pas une « bonne solution » puisque sa quantité d’eau ne diminue pas dans la paroi mais le seul critère de quantité d’eau n’est pas suffisant. Pour parvenir à ce résultat, d’autres critères comme la capacité de séchage, la condensation à l’interface entre l’isolant et la paroi et la résistance thermique ont été analysés afin de déterminer les compatibilités d’isolation avec la pierre. Pour cela, l’étude a été faite avec et sans source additionnelle pouvant permettre de dire que dans le cas d’une mise en œuvre correcte, la solution envisagée est acceptable.

Malgré des résultats corroborant des prévisions théoriques et des constats, il n’a pas toujours été possible de différencier les solutions préconisées. Le tableau 3 tout comme les simulations (figures 2 et 4) montrent une indifférenciation des résultats entre les solutions EE et EP, ainsi qu’entre les solutions PE et PP dans le cas de l’isolation par l’extérieur. L’utilisation d’un enduit chaux perméable, très hygroscopique ou d’un plâtre recouvert de papier peint vinyle étanche et moyennement hygroscopique ne varie pas. Il en est de même dans le cas de l’isolation par l’intérieur entre l’enduit chaux perméable et l’enduit ciment étanche. Plusieurs raisons peuvent en être à l’origine. D’une part, les conditions climatiques sont très défavorables. D’autre part, l’hygroscopicité des deux matériaux comme les enduits de chaux et de ciment est élevée alors que celle de la pierre calcaire assemblée avec un mortier de chaux est faible, ne permettant pas à cette dernière de sécher. L’accumulation de l’eau s’observe à l’échelle globale du matériau et moyennée et ne permet pas d’identifier les phénomènes à l’origine de l’accumulation de l’eau, à savoir côté enduit ou côté isolant. De même, l’utilisation de sources d’eau dans les simulations, jugées trop peu réalistes au départ de l’étude, a dû être justifiée de manière très précise pour être validée et vérifier les limites de Wufi 2D.

La manière dont cette source d’humidité a été définie est en effet discutable pour deux raisons :

- La vapeur d’eau qui condense éventuellement à l’interface entre la paroi ancienne et l’isolant et qui transite par les défauts d’étanchéité provient de l’intérieur : elle n’est donc pas liée aux conditions climatiques extérieures.

- La quantité d’eau présente à cet endroit est fonction de l’humidité relative régnant dans l’ambiance intérieure mais aussi de la gravité des défauts d’étanchéité de la paroi intérieure : elle n’est donc pas fonction de la quantité de pluie battante impactant la surface extérieure de la paroi.

Un modèle simplifié de sources d’eau de condensation avait déjà été utilisé par l’IBF mais avec le logiciel WUFI PRO (KUNZEL, 1994). Cependant, on peut penser que l’air qui traverse la paroi entraine avec elle de l’eau qui viendra ensuite se condenser à la sortie de l’isolant à l’interface de la paroi ancienne dans les zones plus froides du mur. Il a donc été mis en place une méthode de calcul des flux d’air traversant une paroi comprenant des défauts d’étanchéité, en prenant en compte les humidités relatives et pressions atmosphériques intérieures et extérieures, la vitesse du vent, la taille du trou dans la paroi (HEBERLÉ, 2011-2). Les ajouts de sources, et plus particulièrement dans le cas de l’isolation par l’extérieur, qui devaient permettre une meilleure dispersion des résultats, restent encore à valider.

Conclusions et perspectives

Pour la paroi ancienne en pierre dure calcaire que nous avons choisi de présenter ici, l’étude a montré que l’isolation par l’extérieur est dans tous les cas préférable à l’isolation par l’intérieur d’un point de vue hygrothermique. Elle n’entraîne pas d’augmentation de la teneur en eau dans la paroi ancienne. Le risque de condensation est faible et l’inertie thermique est préservée. Ce sont les configurations perméables à l’humidité à l’extérieur utilisant les isolants bio-sourcés comme la fibre de bois et enduit à la chaux qui sont à privilégier. Cependant, du fait des contraintes patrimoniales ou techniques fortes régnant sur ce genre de construction, il n’est souvent pas possible d’isoler par l’extérieur. Dans ce cas, il est impératif de privilégier la mise en œuvre d’un isolant bio-sourcé hygroscopique et capillaire, tel que les panneaux de fibre de cellulose, combiné à celle d’un frein-vapeur intelligent, sous peine de voir la teneur en eau s’accumuler à l’intérieur de la paroi ancienne. Même si cette dernière semble augmenter, la capacité de séchage étant importante, cela permet à la paroi de gérer les problèmes d’étanchéité liés à une mauvaise mise en œuvre.

Dans le cas de l’isolation par l’intérieur, toutes les solutions présentent l’inconvénient d’augmenter la teneur en eau dans la paroi. Les configurations avec isolation étanche à l’intérieur sont à éviter. C’est dans le cas d’une mauvaise mise en œuvre que la capacité de séchage de ces parois font la différence avec celles dont l’isolant est hygroscopique et capillaire comme l’isolant bio-sourcé en ouate de cellulose. Il est alors préférable d’opter pour un frein-vapeur.

L’étude des interfaces entre les différents matériaux a été très délicate et demande une prospection supplémentaire car la plupart des dommages sont observés à ces endroits tels que l’éclatement des enduits extérieurs ou le développement des moisissures le long du pare-vapeur.

En plus de ces conclusions propres aux différentes parois du bâti ancien, cette étude a permis de bâtir un protocole de simulation complet, intégrant la question des sources d’humidité.

Remerciements

Nous remercions Monsieur Pierre Bonnemayre et Mme Christine Roger de la DGALN (MEDDTL), financeurs du projet, ainsi que l’équipe de l’IBP-Fraunhofer et l’équipe de Jean-Claude Morel du laboratoire LGM à l’ENTPE pour leur soutien et assistance à la réalisation de ce projet.

Références bibliographiques

(Batan, 2010): Quel comportement thermique du bâti ancien? Rencontres de la rénovation thermique ; 19 mars 2010 _ Grenoble ; Louis BOURRU

(Collet, 2004) ; Caractérisation hydrique et thermique de matériaux de génie civil à faibles impacts environnementaux; Florence Collet ; Thèse INSA 2004

(Dugué, 2010) ; Evaluation des risques liés à l’humidité dans le cas d’une isolation thermique par l’intérieur de murs anciens : étude de cas ; Antoine Dugué ; Frédéric Betbeder ;

(Evrard, 2010) ; Isolation Thermique par l’intérieur des murs existants en briques pleines ; Arnaud Evrard

(Evrard, 2008) ; Transient hygrothermal behaviour of lime-hemp materials ; thèse EPL ; Arnaud Evrard

(Héberlé, 2011-1) ; Etude des transferts hygrothermiques dans les parois de bâtiments anciens : modélisation, solutions de réhabilitation ; TFE ENTPE ; Elodie Héberlé

(Héberlé, 2011-2]); Prise en compte des infiltrations d’air dans l’étude de la performance hygrothermique de l’isolation par l’intérieur ; Master MEGA-INSA de Lyon ; Elodie Héberlé

(Künzel, 1994) ; WUFI : Simulation des transferts de chaleur et d’humiditédans l’enveloppe de bâtiment ; Hartwig M. Künzel, Andreas Holm, (IBF) Fraunhofer-Institut Bauphysik.

(Künzel, 2003) ; pare-vapeurs pour la protection de l’enveloppe des bâtiments contre un excès d’humidité; Hartwig M. Kuenzel ; Fraunhofer-Institut Bauphysik, Holzkirchen RFA ; 2003 ; Québec ; Article

(MPF, 2007); Connaissances des bâtiments anciens et economies d’énergie ; DGUHC / CETE DE L ’EST / DGCB-LASH / MPF ; 2007

(RTB, 2012) ; Réglementation thermique des bâtiments existants : articles L. 111-10 et R.131-25 à R.131-28 du Code de la construction et de l'habitation ainsi que sur leurs arrêtés d'application

ECOBAT Sciences & Techniques 2013

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