Matériaux de faible perméance dans les enveloppes de bâtiment
Matériaux de faible perméance dans les enveloppes de bâtiment
(Etudes de cas intéressante, reprend tous les fondamentaux)
par M.K. Kumaran et J.C. Haysom
Cet article contient certaines indications quant à la mise en oeuvre de matériaux de faible perméance sur le côté extérieur des murs, dans les conditions climatiques existant au Canada. Ces recommandations, présentes dans l'édition 1995 du Code national du bâtiment, devraient réduire les risques de condensation d'humidité dans les murs.
Les exigences contenues dans l'édition 1995 du Code national du bâtiment (Canada) ont assoupli les restrictions figurant dans le Code de 1990 concernant l'utilisation de matériaux de faible perméance à la vapeur d'eau sur la face externe des murs extérieurs isolés. Ces restrictions avaient été ajoutées afin de réduire les risques de condensation sur la face interne des matériaux de faible perméance utilisés comme pare-air sur la face externe des murs. Elles allaient à l'encontre, cependant, du succès prouvé pendant les nombreuses années d'une telle utilisation de ces isolants de faible perméance. Le résultat fut que bien des fabricants s'opposèrent à ces conditions exagérément restrictives.
Les trois mécanismes principaux qui permettent le passage de l'air de part et d'autre de l'enveloppe d'un bâtiment sont l'effet de cheminée, l'action du vent et la ventilation mécanique. Effet de cheminée. Plus la température augmente, plus la densité de l'air diminue; c'est pourquoi l'air chaud est plus léger que l'air froid. Ainsi l'air chaud monte et sa flottabilité exerce une pression vers l'extérieur au niveau des plafonds et de la partie supérieure des murs. Les ouvertures dans les pare-vapeur permettent à l'air chaud et humide de circuler dans le toit ou dans la structure des murs. Là, il se refroidit et dépose de l'humidité sur les surfaces intérieures froides du toit ou du revêtement mural. Action du vent. Le vent qui souffle sur une maison produit une pression positive sur la face extérieure du mur exposé au vent et une pression négative sur les autres murs. La pression négative entraîne, par le biais des ouvertures, l'air de l'intérieur vers les murs extérieurs et l'humidité que contient cet air chaud se condense à l'intérieur de la structure murale, sur le revêtement froid. Ventilation mécanique. Alors que les ventilateurs d'extraction réduisent la pression à l'intérieur d'une maison en extrayant l'air, les systèmes mécaniques de ventilation mal équilibrés, y compris les ventilateurs d'alimentation, peuvent pressuriser l'intérieur. L'air et l'humidité peuvent alors circuler par les ouvertures vers les murs extérieurs et les combles dans lesquels la condensation peut s'accumuler.
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Cette conception des murs, décrite dans le Code de 1995, est le résultat d'une série de changements mis en oeuvre au fil des années pour répondre à l'évolution des besoins et des attentes dans le domaine du bâtiment au Canada. Dans les années 30, on a introduit des pare-vapeur afin de réduire la diffusion de la vapeur dans les murs et vides sous toit. Lorsque l'on a commencé à humidifier les maisons, dans les années 50, l'accumulation d'humidité dans les murs et les vides sous toit fut à nouveau un problème pour beaucoup de maisons. Les chercheurs ont découvert que la plupart de l'humidité était transportée en ces endroits en grand partie par le biais des fuites d'air et non par diffusion de la vapeur. Les fuites d'air peuvent devenir un problème important si les divers matériaux de l'enveloppe du bâtiment, comme les pare-vapeur, ne sont pas continus et que de multiples ouvertures laissent passer l'air dans les murs et les vides sous toit.
Figure 1. Coupe verticale d'un mur dont le système d'étanchéité à l'air et à la vapeur est mis en place entre les poteaux et les fourrures internes
Figure 2. Coupe verticale d'un mur avec panneau isolant installé à l'extérieur de l'ossature murale à poteaux
Lorsque les coûts de l'énergie ont grimpé dans les années 70, la demande d'efficacité énergétique a entraîné la construction de maisons mieux isolées. Dès que les cavités entre les poteaux d'une ossature murale sont garnies d'un isolant, tout isolant supplémentaire doit se placer à l'intérieur ou à l'extérieur afin d'accroître la résistance thermique du mur.
Une technique qui permet d'insérer un isolant à l'intérieur, consiste à placer une fourrure horizontale sur le pare-vapeur qui est fixé aux faces internes des poteaux; ceci donne de l'espace pour une seconde couche d'isolant. Résultat, le pare-vapeur est pris en sandwich entre les deux couches d'isolants, la couche intérieure étant plus fine que la couche extérieure (figure 1). Cette conception, toutefois, pourrait entraîner une condensation de l'humidité sur le pare-vapeur si la température de l'air à ce point venait à baisser en dessous de la température du point de rosée, dans les conditions de l'air intérieur.
Un autre système consiste à ajouter un revêtement isolant sur la face extérieure de l'ossature murale à poteaux pour augmenter la résistance thermique du mur (figure 2). Le panneau isolant couvrant la face extérieure des poteaux, il réduit aussi l'effet de pont thermique créé par les poteaux de bois, ce qui constitue un avantage supplémentaire. Dans ce cas, le pare-vapeur est installé sur le côté chaud des poteaux comme l'exige le Code. A l'origine, on utilisait des panneaux de bois ou de fibre minérale comme revêtement extérieur mais les isolants en mousse polyuréthane sont aussi devenus très prisés.
Les problèmes de condensation auxquels ont fait face bien des propriétaires dans les années 60 et 70 ont amené le Comité associé du Code national du bâtiment à ajouter une section secondaire à la partie 9 du CNB de 1980 intitulée « Mesures de prévention de la condensation ». Elle contenait des instructions pour l'installation d'un pare-vapeur, qui feraient de ce dernier une membrane d'étanchéité à l'air plus efficace.
Beaucoup de concepteurs ont objecté à cette hypothèse du Code statuant que le pare-vapeur jouerait également le rôle de pare-air. Ils avaient pour argument le fait qu'il serait plus facile de maintenir la continuité du pare-air si celui-ci pouvait être installé dans un endroit plus approprié du mur, où il aurait moins de chances d'être interrompu par des conduits, des cloisons internes ou des boîtiers électriques. En conséquence, le Code de 1990 reconnaissait que le pare-air pouvait être un élément distinct, placé n'importe où dans le mur. Cette modification a permis à quiconque utilisant un matériau de faible perméance à la vapeur d'eau comme pare-air de choisir de l'installer près de la surface extérieure du mur dont la face interne serait susceptible de condensation.
Pour réduire les risques d'une mauvaise mise en place, on a ajouté une restriction dans le Code sur l'emplacement des pare-air de faible perméance à la vapeur. Il faut poser ces pare-air de façon à ce que la température de la face interne reste supérieure à celle du point de rosée de l'air intérieur lorsque la température extérieure est supérieure de 10 °C à celle de janvier, 2,5 %. Cette restriction, cependant, a empêché l'utilisation de certains revêtements isolants qui avaient été utilisés sans problèmes sur la face externe des murs à poteaux de bois pendant des années.
Les fabricants de ces matériaux ont argué qu'une telle restriction n'était pas nécessaire et ont demandé à ce qu'elle soit retirée dans l'édition 1995 du CNB. Certaines préoccupations ont aussi émergé concernant le risque de condensation sur les matériaux de faible perméance placés vers l'extérieur même s'ils ne doivent pas jouer le rôle de pare-air. Les chercheurs de l'Institut de recherche en construction du CNRC ont accepté d'étudier la question en profondeur.
L'étude
En premier lieu, les chercheurs ont utilisé une modélisation informatique pour définir la relation entre l'exfiltration d'air, le transfert de chaleur et l'accumulation d'humidité dans un mur creux. Pour cette étude, il s'agissait d'un mur fait de poteaux de 38 mm sur 89 mm, d'un panneau isolant semi-rigide dans la cavité murale et d'un pare-vapeur de type II. La température intérieure était de 21 °C et l'humidité relative (HR) intérieure de 36 %. La température et l'humidité relative extérieures étaient respectivement -15 °C et 60 %. La perméance à l'air de l'ensemble variait entre 0,001 L/(s•m2) et 10 L/(s•m2 ), pour une différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur de 75 Pa.
Figure 3. Conséquences d'une résistance thermique supplémentaire fournie par le revêtement extérieur
Les résultats de cette modélisation ont montré que le flux de chaleur (flux thermique par unité de surface du mur) augmentait si le débit d'air augmentait. L'accumulation d'humidité augmentait aussi, mais jusqu'à un certain point seulement. Au delà de ce point, l'accumulation d'humidité diminuait jusqu'à devenir insignifiante. La raison de cette diminution est que la température dans la cavité augmentait au fur et à mesure que le débit d'air augmentait. À un certain moment, la cavité devint si chaude que les conditions requises pour qu'il y ait condensation n'étaient plus réunies. C'est la raison pour laquelle de nombreux immeubles anciens sans pare-air ne connaissent aucun problème d'humidité, les murs étant si chauds qu'aucune condensation n'est possible. Compte tenu du coût de l'énergie aujourd'hui et des attentes des occupants, les murs qui comportent des fuites ne sont pas une solution pratique. L'ajout d'un isolant sur l'extérieur du mur, en revanche, est une autre façon de garder chaude la cavité murale.
Les chercheurs ont ensuite répété les simulations informatiques avec un revêtement de panneaux de fibres minérales de 25 mm d'épaisseur placé à l'extérieur des poteaux (figure 3). Les simulations ont confirmé que, dans ce cas, la cavité était assez chaude pour empêcher qu'il y ait une condensation sur la face intérieure.
Pour déterminer l'effet des fuites d'air et de l'isolation extérieure sur la performance d'un mur, les chercheurs ont exécuté plusieurs simulations en variant les paramètres de calcul comme le taux de perméabilité à l'air, la perméance à la vapeur et l'humidité intérieure relative. Les poteaux utilisés étaient de 38 mm sur 140 mm, et les panneaux isolants semi-rigides de RSI 3,52. Un mur a aussi été équipé d'un revêtement isolant externe, RSI 0,75.
Figure 4. Mur B0
Figure 5. Mur B2
Figure 6. Mur B2R
Les simulations ont permis d'analyser le comportement hygrothermique de la cavité pendant une année complète, sur une base horaire, en utilisant les données climatiques de la ville d'Ottawa. La figure 7 montre l'accumulation d'humidité dans la cavité pour trois murs décrits ci-après :
Mur B0 (figure 4) – Pare-vapeur de type II, aucune perméabilité à l'air (pas de fuite d'air), HR intérieure de 36 %.
Mur B2 (figure 5) – Pare-vapeur de type II, perméabilité à l'air de 0,1 L/(s•m2) à 75 Pa, HR intérieure de 36 %.
Mur B2R (figure 6) – Pare-vapeur de type II, perméabilité à l'air de 0,1 L/(s•m2) à 75 Pa, HR intérieure de 36 %, revêtement isolant de faible perméance, RSI de 0,75.
La courbe B0 donne l'accumulation d'humidité due uniquement à la diffusion.
La courbe B2 donne l'accumulation d'humidité due à la diffusion et aux fuites d'air.
La courbe B2R montre l'effet bénéfique du revêtement isolant extérieur sur l'accumulation d'humidité, la diffusion d'humidité et les fuites d'air étant les mêmes que pour B2. L'accumulation d'humidité pour B2R était inférieure à celle de B0.
Figure 7. Accumulation annuelle d'humidité dans la cavité murale. L'index d'humidité est la moyenne journalière sur une étendue proportionnelle.
Tableau 1. Rapport entre la résistance thermique côté extérieur et côté intérieur (CNB 1995, Tableau 9.25.1.2)
Degrés-jours | Rapport minimal entre la résistance |
≤ 4999 | 0,20 |
5000 à 5999 | 0,30 |
6000 à 6999 | 0,35 |
7000 à 7999 | 0,40 |
8000 à 8999 | 0,50 |
9000 à 9999 | 0,55 |
10 000 à 10 999 | 0,60 |
11 000 à 11 999 | 0,65 |
≥ 12 000 | 0,75 |
Tableau 2. Degrés-jours de chauffage pour quelques villes canadiennes sélectionnées (Annexe C, CNB 1995)
Ville | Degrés-jours de |
Victoria | 2900 |
Edmonton | 5400 |
Regina | 5750 |
Winnipeg | 5900 |
Toronto | 3650 |
Ottawa | 4600 |
Québec | 5200 |
Fredericton | 4650 |
Halifax | 4100 |
Charlottetown | 4600 |
St John's | 4800 |
Whitehorse | 6900 |
Yellowknife | 8500 |
Iqualuit | 10050 |
Ces résultats montrent que lorsque l'on augmente suffisamment la résistance thermique d'une couche de faible perméance à l'extérieur d'un bâtiment, on améliore la capacité de l'ensemble à gérer une petite quantité de fuite d'air. La simulation a montré que le rapport utilisé entre l'isolant extérieur et l'isolant intérieur (à savoir, 0,75/3,52 = 0,214) était approprié pour contrôler l'accumulation d'humidité dans le mur, pour une humidité relative intérieure de 36 % et le climat de la région d'Ottawa. Des simulations pour d'autres villes canadiennes, avec les données climatiques correspondantes, ont montré que le rapport requis de la résistance thermique extérieure et intérieure est proportionnel aux degrés-jours. Ainsi, plus il fait froid, plus il faut isoler l'extérieur pour maintenir la température nécessaire dans la cavité murale et contrôler l'accumulation d'humidité.
Le Comité permanent des maisons et petits bâtiments (responsable de la partie 9 du CNB) a adopté les recommandations des chercheurs et les a intégrées au tableau 1 du Code de 1995, qui donne le rapport entre la résistance thermique côté extérieur et côté intérieur par incréments de 1000 degrés-jours1,2 . Les degrés-jours pour plus de 600 villes canadiennes – de Victoria, C.-B. (2900) à Eureka, T.N.-O., (13800) – figurent à l'annexe C du Code national du bâtiment (tableau 2).
Utilisation d'isolants extérieurs de faible perméance
Lorsque l'on utilise un matériau de faible perméance à la vapeur dans un mur, le rapport entre la résistance thermique côté extérieur et côté intérieur doit être égal ou supérieur à celui qui est nécessaire pour contrôler la condensation.
La résistance thermique d'un mur est le total de la résistance de tous les matériaux qui composent le mur, comme l'isolant, le revêtement, le fini, les vides et les lames d'air. La résistance thermique du côté intérieur est la somme de la résistance thermique de tous les matériaux mis en oeuvre du côté chaud du matériau de faible perméance. Pour calculer la résistance thermique minimale de l'isolant du côté extérieur, on multiplie d'abord la résistance thermique du côté intérieur par le rapport du tableau 1 correspondant aux conditions climatiques en vigueur. Ce résultat donne la résistance thermique totale de tous les éléments du côté extérieur, y compris l'isolant extérieur, le matériau du fini extérieur et la lame d'air. L'ajout de la résistance thermique de tous les autres éléments du côté extérieur et le retrait de ce sous-total de la résistance thermique totale du côté extérieur donne la résistance thermique minimale de l'isolant extérieur. L'exemple suivant est un calcul pour un type de mur à Winnipeg.
Conclusion
Cette étude a montré que la mise en place d'un matériau de faible perméance sur le côté externe d'un mur extérieur n'augmente pas forcément les risques de condensation dans la structure du mur tant qu'une résistance thermique suffisante est ajoutée sur la face interne de l'isolant afin de conserver sa température, condition nécessaire pour éviter toute condensation.
Exemple Winnipeg comprend 5900 degrés-jours ce qui, selon le tableau 1, exige un rapport RSI minimum de 0,30. Les calculs suivants montrent comment obtenir la quantité minimale d'isolant nécessaire sur le côté extérieur pour un mur avec des poteaux de 38 mm sur 89 mm.
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Références
1. Remarque : les exigences du CNB se basent sur une humidité intérieure de l'ordre de 36 %. Dans les cas où l'humidité intérieure relative serait nettement supérieure à 36 % pendant de longues périodes en hiver, il serait plus prudent d'utiliser des rapports plus élevés que ceux du tableau 1.
2. Remarque : cette exigence du CNB s'applique aux matériaux qui ont un taux de perméabilité à l'air inférieur à 0,1 L/(s•m2) à 75 Pa. Elle ne concerne pas les matériaux de revêtement à base de bois pourvu qu'il y ait des espaces au niveau des joints.
3. Code national du bâtiment - Canada 1995. Commission canadienne des codes du bâtiment et de prévention des incendies, Conseil national de recherches du Canada, Ottawa, 1995.
4. Ojanen, T. et M.K. Kumaran. Air exfiltration and moisture accumulation in residential wall cavities. Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Buildings V: Proceedings of the ASHRAE/DOE/BTECC Conference, Clearwater Beach, Floride, 1992, p. 491 – 500.
5. Ojanen, T. et M.K. Kumaran. Effect of exfiltration on the hygrothermal behaviour of a residential wall assembly. Journal of Thermal Insulation of Building Envelopes 19, 1996, p. 215 – 227.
6. ASHRAE Handbook of Fundamentals SI. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, 1997.
M. M.K. Kumaran est agent de recherche supérieur au sein du programme Enveloppe et structure du bâtiment, l'Institut de recherche en construction (IRC) du Conseil national de recherches.
M. John Haysom est chef d'unité au sein du Centre canadien des codes, Bâtiment et installations techniques, à l'Institut de recherche en construction (IRC) du Conseil national de recherches.
© 2000
Conseil national de recherches du Canada
Publié à l'origine en octobre 2000
Révisé en mars 2002
ISSN 1206-1239