par M.T. Bomberg et W.C. Brown

M.T. Bomberg et W.C. Brown sont agents de recherche supérieurs au Laboratoire de performance du bâtiment de l'Institut de recherche en construction.

Paru dans « Construction Canada » 35(1), 1993, p. 15-18

Les transferts de chaleur, d'air et d'humidité à travers les enveloppes de bâtiments sont des phénomènes indissociables. Chacun a ses effets sur les autres et varie selon les matériaux qui constituent l'enveloppe.

Souvent, nous simplifions le processus de la conception architecturale en associant le contrôle de chaque phénomène à un matériau donné. L'isolant thermique, par exemple, est perçu comme la barrière au transfert de chaleur et le pare-air, comme le matériau limitant les fuites d'air. De la même façon, nous considérons que l'écran pare-pluie et le pare-vapeur servent uniquement à éliminer l'infiltration d'humidité dans les matériaux. Ces matériaux remplissent, toutefois, de nombreuses fonctions différentes et interreliées et constituent souvent un facteur parmi d'autres dans la performance globale de l'ouvrage (voir le tableau 1). Par exemple, tout en limitant les fuites d'air, le pare-air peut aussi constituer une barrière efficace à l'humidité. De la même façon, en augmentant la température à l'intérieur de la cavité murale, l'isolant thermique peut également réduire le niveau de condensation dans la cavité.

Donc, le processus de contrôle de l'environnement repose sur de fortes interactions entre les transferts de chaleur, d'air et d'humidité. Pour s'assurer que tous les éléments de l'enveloppe offrent une performance adéquate, il faut s'attaquer aux transferts de chaleur, d'air et d'humidité collectivement. D'une certaine façon, cette approche constitue un retour aux principes d'il y a 60 ans, bien avant que les analyses approfondies deviennent chose courante. La différence aujourd'hui réside dans la disponibilité de normes et d'exigences relatives à la performance des différents éléments constituant l'enveloppe. Donc, bien que nous conservions l'approche de base du passé, nous sommes maintenant davantage en mesure d'appliquer les concepts fondamentaux établis dans les années 30.

Tableau 1.rrières environnementales et forces motrices

Le présent article est le premier d'une série de trois qui traitera du contrôle de l'environnement par la conception de l'enveloppe des bâtiments. Le deuxième article portera sur les matériaux et le troisième, sur les systèmes.

La fonction fondamentale de l'enveloppe du bâtiment est de délimiter un espace intérieur confortable à l'abri de l'environnement extérieur. Pour ce faire, l'enveloppe doit résister à de nombreuses forces mécaniques et environnementales et doit conserver cette résistance tout au long de sa vie utile. Pour faire face à des conditions climatiques extrêmes, le froid canadien, par exemple, l'enveloppe doit aussi être bien isolée pour assurer le niveau requis de confort thermique à un coût abordable.

Transfert d'air – une leçon de l'histoire

Le transfert d'air constitue un élément critique dans le contrôle de l'environnement. Il sous-tend pratiquement toutes les facettes du contrôle de l'environnement puisqu'il cause aussi le transfert de chaleur et d'humidité à travers l'enveloppe.

Notre compréhension de la performance des murs en Amérique du Nord provient principalement des Prairies, où les extrêmes climatiques amplifient tout défaut pouvant affecter la capacité de l'enveloppe à maintenir un environnement contrôlé. Entre 1929 et 1932, les travaux de pionniers effectués par des chercheurs de l'université du Minnesota sur les fuites d'air à travers les murs à ossature ont mené à l'acceptation du papier de construction comme barrière aux intempéries. Le papier de construction s'opposait à l'infiltration d'air et de pluie tout en laissant passer l'humidité vers l'extérieur. De plus, ce papier réduisait les pertes de chaleur en limitant les fuites d'air, améliorait le confort intérieur en réduisant les courants d'air et réduisait les dommages dus à l'humidité en empêchant l'infiltration du vent, qui diminuait la température des surfaces intérieures.

Par la suite, dans la recherche du confort thermique intérieur, la cavité des murs a été remplie d'isolant – d'abord des copeaux de bois stabilisés à la chaux, puis du papier journal déchiqueté et, finalement, des matelas de fibres minérales. Malheureusement, la vapeur d'eau traversait l'isolant thermique tout aussi facilement que la lame d'air, la présence de l'isolant abaissait la température du revêtement extérieur et il se produisait de la condensation.

Cette situation a mené à l'introduction de pare-vapeur pour limiter la fuite de vapeur d'eau depuis les espaces intérieurs plus chauds. Ainsi, les murs des maisons construites dans les années 40 comportaient déjà le papier de construction extérieur et le pare-vapeur intérieur.

Au Canada, le terme « pare-vapeur » est devenu synonyme de feuilles de polyéthylène, même si les codes du bâtiment autorisent de nombreuses solutions. L'une d'elles est la plaque de plâtre à deux peintures dont la peinture remplit la fonction de pare-vapeur. Une autre est le revêtement de polyéthylène de 0,15 mm, qui limite l'écoulement d'air dans les maisons et sert aussi de pare-vapeur.

Effets de l'humidité – durabilité des matériaux

L'enveloppe du bâtiment doit isoler les environnements intérieur et extérieur, protégeant le premier du second. Pour ce faire, l'enveloppe doit avoir une durabilité et une intégrité structurales élevées, en particulier pour empêcher les dommages par l'humidité. De tous les éléments environnementaux, l'humidité constitue la plus grande menace à l'intégrité et à la durabilité : elle est responsable d'environ 80 % des dommages subis par les enveloppes de bâtiment.

Il est évident que de nombreux matériaux de construction contiennent de l'humidité, notamment la maçonnerie et le béton. Ces matériaux présentent d'excellentes caractéristiques de performance tant que l'humidité ne compromet pas leur intégrité structurale ou physique. Toutefois, une humidité excessive met en danger à la fois le matériau et sa fonctionnalité.

Considérons, par exemple, la capacité d'un matériau de résister aux cycles naturels de gel et de dégel. Cette durabilité au gel n'est pas une caractéristique intrinsèque du matériau, mais une propriété complexe, qui varie selon le matériau et selon l'environnement. Par exemple, dans une certaine école, seule la surface extérieure des saillies extérieures en briques d'argile avait subi un éclatement dû aux cycles gel-dégel. Ces saillies étaient davantage exposées à la pluie soufflée par le vent et la température des briques était légèrement inférieure à celle de la façade plane, où aucun éclatement ne s'est produit. Ces deux conditions causent habituellement des dommages dus au gel-dégel.

La corrosion des métaux exposés à l'air varie également avec la température superficielle et avec l'humidité. La croissance de moisissures nécessite également certaines températures et humidités (températures supérieures à 5 °C et humidité relative supérieure à 80 %).

Énergie thermique – performance dynamique

L'évaluation de la performance énergétique de l'enveloppe du bâtiment repose sur trois données :

• la quantité de chaleur transmise à travers les murs, les fenêtres et les autres éléments de l'enveloppe – le transfert de chaleur par conduction ;
• la quantité de chaleur requise pour amener l'air extérieur à la température de l'air intérieur – les caractéristiques de fuite d'air ou le taux de renouvellement d'air ;
• les écarts de température sur la face intérieure de l'enveloppe – les points possibles de formation de moisissures.

Le transfert de chaleur par conduction peut être exprimé de quatre façons, en ordre croissant de précision. La première approximation considère simplement les surfaces isolées de l'enveloppe, sans tenir compte des écoulements de chaleur multidirectionnels causés par les anomalies thermiques. Ainsi, selon cette méthode, un mur isolé avec des nattes de fibre de verre RSI 3,5 sera désigné comme un mur RSI 3,5.

Le deuxième niveau de précision tient aussi compte du fait que la résistance thermique réelle du mur diffère de celle déterminée par le modèle d'écoulement unidirectionnel. Ainsi, le mur RSI 3,5 devient un mur RSI 3,1.

Le troisième niveau de précision incorpore des calculs bi- et tridimensionnels des écoulements de chaleur, tout en prenant pour acquis que la représentation en régime constant décrit adéquatement la performance thermique du bâtiment. Le quatrième niveau introduit des conditions météorologiques transitoires dans les calculs de la performance thermique.

Ces deux derniers niveaux de précision sous-tendent la tendance européene de distinguer entre les valeurs déclarées et les valeurs de calcul dans l'évaluation des caractéristiques thermiques des matériaux de construction. La valeur déclarée représente la performance thermique prévue telle que mesurée à une température et à une épaisseur données ; elle est énoncée avec un coefficient de confiance donné. La valeur de calcul décrit la performance sous certaines conditions climatiques et de service.

Le second élément de la performance thermique – les fuites d'air – se rapporte au débit d'écoulement d'air à travers l'enveloppe. Cet élément est directement proportionnel à l'écart de pression d'air entre les deux côtés de l'enveloppe et inversement proportionnel à la résistance à l'écoulement d'air de cette dernière.

Le dernier élément de l'évaluation de la performance thermique/énergétique se rapporte à la condensation de vapeur d'eau en surface des ponts thermiques de l'enveloppe. À ces endroits, une résistance thermique inférieure réduit la température superficielle. Généralement, la condensation en surface ne s'attaque pas aux murs à ossature de bois à la condition que la cavité murale soit complètement isolée et que les fuites d'air soient négligeables.

Par contre, les jonctions de plancher dans les constructions de maçonnerie et les dalles de béton se prolongeant sous des balcons sont sujettes aux problèmes de condensation en raison des baisses considérables de température superficielle qui s'y produisent. Si ces réductions de température sont combinées à une faible circulation d'air par convection, on peut s'attendre à de la moisissure dans les salles de bains et dans les placards et à une détérioration des plaques de plâtre dans les cages d'escalier.

Conception pour le contrôle de l'environnement

L'intégration du contrôle de l'environnement à la conception des bâtiments exige une analyse itérative et une volonté de changer non seulement des détails mineurs, mais même le concept de base, si les données indiquent que c'est désirable. Par conséquent, la conception doit demeurer aussi flexible que possible jusqu'à ce que toutes les conséquences aient été examinées.

La conception d'un système pare-air constitue un exemple de la façon dont le processus de conception itérative pourrait fonctionner. La collecte d'information pourrait débuter par une recherche des matériaux appropriés. Des questions types seraient posées sur les matériaux possibles et sur leur perméabilité à l'air, sur leur capacité d'étirement, sur leur pliabilité, sur leur adhérence et sur les moyens de fixation, d'assemblage et de support. L'analyse porterait également sur la performance à long terme, sur le vieillissement des matériaux, sur les contraintes et déformations en service, ainsi que sur les coûts prévisibles de réparation et d'entretien.

Une fois cette sélection initiale faite, le concepteur spécifie ensuite les détails architecturaux comme les intersections et les joints entre les éléments de construction (fondations, murs, planchers, fenêtres et portes, par exemple). Ensuite, pour s'assurer d'une performance adéquate à ces endroits, il doit se poser d'autres questions concernant la performance de tout l'ensemble, par exemple sur le taux de fuite d'air, les trajets de fuite, les risques de courants d'air et les effets sur la condensation. Tout au cours du processus de conception, le concepteur consulte des experts en structure, en électricité et en mécanique pour obtenir des réponses à toutes ces questions et pour s'assurer que les matériaux choisis se comporteront de façon satisfaisante.

Le concepteur analyse aussi la constructibilité de l'ouvrage, comme la mise en oeuvre des matériaux sous différentes conditions météorologiques, le niveau de spécialisation de la main-d'oeuvre requise et les tolérances de construction. Cette analyse lui permet de voir si le concept, tel qu'il existe sur papier, peut être construit.

Enfin, une certaine redondance est nécessaire dans la conception, pour compenser la complexité des interactions entre la chaleur, l'air et l'humidité. Par exemple, il est possible que le pare-air soit perforé, qu'il ne soit pas rattaché à certains éléments de l'enveloppe ou qu'un trajet d'infiltration de pluie se développe. Le concepteur doit prévoir de quelle façon l'humidité pourrait être évacuée, sinon évaporée. Combien de temps prendrait l'assèchement et quels effets aurait l'humidité sur les matériaux ? La présence prolongée d'humidité pourrait-elle causer de la corrosion, de la moisissure ou un pourrissement ?

Tout le processus de conception du contrôle de l'environnement doit se faire hors du chantier, jamais sur le lieu de construction. En résolvant un problème de conception particulier sur le chantier, sans envisager toutes les conséquences sur la performance, on court au désastre puisqu'on risque de négliger l'intégration d'autres exigences.

Le concepteur face à la dualité

La conception du contrôle de l'environnement nécessite l'intégration par le concepteur de deux processus conceptuels très différents. Le premier englobe l'analyse et les essais détaillés, l'autre porte sur des évaluations qualitatives générales fondées sur l'expérience, sur le jugement et sur la connaissance de ce qui assure l'efficacité de l'enveloppe des bâtiments.

Sous l'aspect analytique, on retrouve toute une batterie d'outils, de modèles et de données qui décrivent les facteurs structuraux, environnementaux et de matériaux relatifs à l'enveloppe du bâtiment. L'aspect qualitatif repose sur une évaluation de la performance qu'offrirait une enveloppe de bâtiment donnée.

Par exemple, la cote typique d'un pare-vapeur est de 1 perm, une unité qui indique une résistance suffisante à l'écoulement de vapeur d'eau pour une maison à ossature de bois. Toutefois, si des calculs étaient effectués à l'aide d'un modèle complexe des écoulements de chaleur, d'air et d'humidité sous différentes conditions climatiques au Canada, des pare-vapeur ayant un perméabilité de 0,1 à 10 perms pourraient être jugés appropriés pour différentes combinaisons de matériaux et de climats. Par ailleurs, certains matériaux, qui sont pourtant considérés comme des pare-vapeur, peuvent être inefficaces lorsqu'ils sont mouillés.

Ainsi, bien qu'il soit possible d'établir de façon précise la perméabilité requise du pare-vapeur, le choix du matériau le plus approprié doit tout de même reposer sur un raisonnement conceptuel et sur une analyse mathématique. Les concepteurs doivent encore effectuer une évaluation qualitative globale pour s'assurer que le pare-vapeur, choisi en fonction de ses caractéristiques quantitatives, offrira une performance satisfaisante pour l'application visée.

Cette stratégie en rappelle une autre d'il y a 60 ans, quand les constructeurs abordaient la performance selon une approche globale. Elle diffère pourtant sous un aspect important. À l'époque, les connaissances étaient plus limitées, les attentes relatives à la performance étaient moins élevées et les méthodes analytiques, plutôt rares. En comparaison, les réalisations d'aujourd'hui reposent sur la capacité des concepteurs de combiner délibérément la compréhension d'une analyse complexe avec les leçons de l'expérience. Le résultat net est une enveloppe de bâtiment conçue pour le contrôle de l'environnement – une enveloppe qui livre la marchandise.