Principes généraux de l'isolation thermique

Introduction générale
Le fonctionnement de tous les matériaux isolants repose sur le principe de base suivant : la chaleur se transmet du chaud vers le froid. Par conséquent, les jours où il fait froid, la chaleur qui se trouve à l'intérieur des bâtiments cherche à sortir à l'extérieur. Les jours de chaleur, la chaleur à l'extérieur des bâtiments cherchent à pénétrer à l'intérieur. Le matériel isolant sert à ralentir ce processus. Les matériaux isolants en phénolique et en polyuréthane rigides comportent de minuscules poches de gaz emprisonné qui offrent une résistance à la transmission de chaleur. Elles ne permettent pas d'arrêter complètement la perte ou le gain de chaleur.

Les bâtiments, aussi bien isolés soient-ils, requièrent cependant une alimentation continue en chaleur pour maintenir la température au niveau désiré. L'alimentation en chaleur requise est beaucoup moins importante dans un bâtiment bien isolé que dans un bâtiment non isolé mais elle est nécessaire.

Transfert de chaleur
Avant d'aborder les principes de l'isolation, il est nécessaire de comprendre le mécanisme du transfert de chaleur. Quand une surface chaude est entourée d'une zone plus froide, la chaleur est transmise et le processus continue jusqu'à ce que les deux endroits atteignent la même température. Le transfert de chaleur a lieu par une ou plusieurs des trois méthodes suivantes : conduction, convection et rayonnement.

Conduction
La conduction est le processus au cours duquel la chaleur passe, par transport moléculaire, le long ou au travers d'un matériau ou d'un matériau à un autre, le matériau recevant la chaleur étant en contact avec celui d'où la chaleur vient. La conduction a lieu dans les solides, les liquides et les gaz et d'un de ces états vers un autre. Le taux de conduction varie considérablement en fonction de la substance et de son état. Dans la catégorie des solides, les métaux sont de bons conducteurs, l'or, l'argent et le cuivre comptant parmi les meilleurs. Viennent ensuite les minéraux tels que le béton et la maçonnerie, puis le bois et, pour finir, les moins bons conducteurs parmi lesquels les matériaux isolants. En général, les liquides sont de mauvais conducteurs mais le phénomène est parfois masqué par le transfert de chaleur par convection. Les gaz (comme l'air, par exemple) sont de moins bons conducteurs encore que les liquides mais ils sont sujets également à transmettre la chaleur par convection.

Convection
La convection se produit dans les liquides et les gaz. Pour qu'un solide perde ou gagne de la chaleur par convection, il doit être en contact avec le fluide. Le phénomène de convection ne se produit pas dans le vide. La convection résulte d'un changement de densité dans certaines parties du fluide, le changement de densité étant induit par un changement de température. Le processus de convection qui se produit uniquement suite à un changement de densité est connu sous le nom de 'convection naturelle'. Quand le fluide est accéléré par le vent ou des moyens artificiels, on parle de 'convection forcée'. Dans beaucoup de cas, la convection forcée a pour effet d'augmenter considérablement le taux de transfert de chaleur.

Convection dans les gaz
Si un corps chaud est entouré d'air froid, la chaleur est transportée dans l'air qui est en contact direct avec le corps. Cet air devient alors moins dense que l'air plus froid qui est plus éloigné du corps. L'air plus chaud et plus léger se déplace donc vers le haut et est remplacé par de l'air froid plus lourd, qui à son tour reçoit de la chaleur et est déplacé de manière similaire. Un flux continu d'air ou une convection se forme donc autour du corps chaud et enlève la chaleur de ce corps. Le processus est similaire mais inversé quand de l'air chaud entoure un corps plus froid : l'air devient plus froid par transfert de chaleur au corps et l'air est déplacé vers le bas.

Convection dans les liquides
Des processus de convection similaires se produisent dans les liquides, mais à une vitesse plus faible suivant la viscosité du liquide. On ne peut supposer cependant que la convection dans un liquide entraîne la descente du composant le plus froid et l'ascension du composant le plus chaud. Le phénomène dépend du liquide et des températures concernés. L'eau est la plus dense à 4°C environ. Par conséquent, dans une colonne d'eau dont la température initiale est égale à 4°C, toute partie qui reçoit de la chaleur montera vers le haut; si une partie est refroidie sous 4°C, elle montera aussi vers le haut et l'eau relativement plus chaude descendra vers le fond. La couche d'eau supérieure d'un bassin ou d'une citerne gèle toujours en premier lieu.

Conditions à remplir par un isolant
Pour agir efficacement comme un isolant, un matériau doit restreindre le flux thermique par une des trois méthodes de transfert de chaleur et, de préférence, par toutes ces méthodes à la fois. La plupart des isolants réduisent de manière appropriée la conduction et la convection par la structure cellulaire du matériau. Le rayonnement est réduit par absorption dans le corps de l'isolant et peut être réduit davantage par l'application d'un film brillant dont la face extérieure est dirigée vers le produit.

Rayonnement
Le processus au cours duquel de la chaleur est émise d'un corps et transmise dans l'espace sous forme d'énergie porte le nom de rayonnement. Le rayonnement thermique est une forme d'énergie ondulatoire dans l'espace similaire aux ondes radio et lumineuse. Le rayonnement n'a pas besoin de milieu intermédiaire comme de l'air pour son transfert, il peut se produire dans le vide. Tous les corps émettent de l'énergie rayonnante. Le taux d'émission est déterminé par :

• l'écart de température entre la surface qui émet la chaleur et la surface qui reçoit la chaleur ;
• la distance entre les surfaces ; et
• l'émissivité des surfaces : les surfaces mattes et ternes émettent et reçoivent bien la chaleur tandis que les surfaces brillantes et réfléchissantes émettent et reçoivent mal la chaleur.

La même règle s'applique aux composants des installations : les tuyaux, citernes et réservoirs contenant des fluides chauds (ou froids). Sans alimentation de chaleur compensant la perte au travers du matériau isolant, la température du fluide diminue. Une citerne bien isolée maintient la chaleur de son contenu plus longtemps mais elle ne suffit pas pour garder la température à un niveau stable.

L'isolation thermique ne génère pas de chaleur. On croit couramment à tort que l'isolant chauffe automatiquement le bâtiment où il est installé. Si ce bâtiment n'est pas alimenté en chaleur, il restera froid. Toute hausse de température qui pourrait survenir résulte d'une meilleure utilisation de gains de chaleur fortuits ou accidentels à l'intérieur.

Inhibition de la convection
Pour réduire le transfert de chaleur par convection, un isolant doit avoir une structure de nature cellulaire ou contenir une grande proportion de vide. Les petites cellules ou les vides inhibent la convection à l'intérieur de ces cellules ou vides et sont donc moins sujets à exciter ou agiter les cellules voisines.

Inhibition de la conduction
Pour réduire le transfert de chaleur par conduction, le rapport matériau solide / vide de l'isolant doit être faible. Par ailleurs, une matrice à paroi fine, une matrice discontinue ou une matrice d'éléments avec un minimum de contacts par point contribue à réduire le flux thermique par conduction. Il est possible de réduire la conduction dans les vides en utilisant des gaz inertes à la place d'air immobile.

Inhibition du rayonnement
Le transfert par rayonnement est réduit en grande partie en plaçant un isolant en contact direct avec une surface chaude. Le rayonnement pénètre dans un matériau à cellules ouvertes mais est rapidement absorbé dans la matrice immédiate et l'énergie est transformée en un flux thermique conductif ou convectif. Le rayonnement est aussi inhibé en utilisant un film en aluminium brillant, sous forme de feuilles ondulées ou en en dirigeant la face extérieure vers des isolants conventionnels.

Effets de la densité
La plupart des matériaux doivent leurs propriétés isolantes à la proportion élevée de vides de leur structure. Les vides inhibent le transfert thermique par convection en raison de leur petite taille. Une réduction de la taille des vides réduit la convection mais augmente le volume du matériau nécessaire pour former la matrice plus resserrée, ce qui entraîne une augmentation de la densité du produit. L'augmentation de la densité améliore l'inhibition du transfert thermique par convection mais finalement, le bénéfice supplémentaire est contrebalancé par l'augmentation du transfert thermique par conduction par le matériau de la matrice et toute autre augmentation de la densité entraîne une diminution de la conductivité thermique. La plupart des isolants traditionnels sont fabriqués dans des matériaux de densité basse à moyenne et le rapport entre la conductivité et la densité est spécifique à chaque famille de produits.

Effets de la température
La conductivité thermique augmente avec la température. Le milieu isolant, l'air ou le gaz qui occupe les vides, est de plus en plus excité au fur et à mesure que sa température s'élève. Cette excitation accroît la convection dans les vides ou entre les vides et augmente le flux thermique. Cette augmentation de la conductivité thermique est généralement continue dans les produits remplis d'air et peut être modélisée mathématiquement. Les isolants qui utilisent des 'gaz inertes' comme milieu isolant peuvent présenter des changements brusques de conductivité. Ces changements peuvent résulter d'une condensation des gaz mais ce phénomène a tendance à se produire à des températures inférieures à zéro degré.

Emissivité de la surface
Les effets de l'émissivité de la surface sont amplifiés dans les applications à haute température. Le choix du type de surface du système d'isolation requiert donc une attention particulière. Les surfaces à faible émissivité, comme l'aluminium poli brillant, réduisent cependant la perte de chaleur en inhibant le rayonnement de chaleur de la surface dans l'espace ambiant environnant en retenant la chaleur transmise à travers l'isolant. Un effet de barrage est créé et la température de surface augmente. Il se peut que cette augmentation de température soit très importante et si l'isolation est appliquée pour atteindre une température spécifique, l'utilisation d'un système à faible émissivité peut nécessiter une épaisseur d'isolant plus grande. Par exemple, une surface chaude ayant une température de 550°C isolée avec un produit de 50 mm d'une conductivité thermique de 0,055 produit, à une température ambiante de 20°C, une température de surface d'environ 98°C, 78°C ou 68°C respectivement selon que l'émissivité de la surface extérieure est faible (aluminium poli), moyenne (acier galvanisé) ou élevée (matériau lisse ou mat).