Résumé L’objectif de réduction de la consommation énergétique vise tout particulièrement le bâti existant très consommateur en énergie primaire.








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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.


  • 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.
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