Constante de temps et confort d’été

Lorsqu'un bâtiment est soumis à une variation de température extérieure, sa température intérieure ne change jamais instantanément. Cette lenteur est une propriété physique fondamentale liée à la diffusion de la chaleur dans les matériaux, les parois et à la capacité du bâtiment à stocker de l'énergie. C’est la constante de temps.

D’une manière globale, trois notions vont caractériser le bâtiment (que l’on peut appliquer à l’échelle d’un local) :

• l'inertie est la capacité d'un bâtiment à stocker de l'énergie thermique ;

• le déphasage est le retard entre un maximum extérieur et le maximum intérieur ;

• l'amortissement est la réduction de l'amplitude de cette variation.

Parler du déphasage d’un matériau comme d’un élément favorable au confort d’été, c’est mélanger des grandeurs physiques distinctes, qui obéissent à des lois différentes et ne se calculent pas de la même manière.

Cette approche par le matériau est une erreur de temporalité qui ignore les « 4 temps » d’adaptation au changement d’état physique :

• le temps du matériau : à quelle vitesse une énergie appliquée sur une de ses faces est transmise de l’autre côté et en quelle quantité ;

• le temps de la paroi : le retard et l'atténuation avec lesquels une variation de température appliquée sur une face d'un élément d'enveloppe (mur, toiture, plancher, cloison, baie vitrée) est ressentie sur l'autre face ;

• le temps du local : le rythme auquel un local entier, pris comme un système regroupant toutes les parois en contact avec son air intérieur, change réellement de température lorsque les conditions varient ;

• le temps du bâtiment :  c’est le temps nécessaire pour que l’énergie sous forme de chaleur s’équilibre complètement avec l’ensemble du système qui le compose (murs, planchers, plafonds, cloisons, locaux, mobilier, air intérieur, ventilation et échanges avec l'extérieur).

La constante de temps peut être définie comme le temps caractéristique avec lequel un bâtiment réagit à une modification de son environnement thermique. C’est une superposition de plusieurs notions physiques. Elle n'est pas une propriété d'un matériau mais du système complet : enveloppe, inertie intérieure, ventilation, renouvellement d'air et conditions d'échange.

Une faible constante de temps signifie que le bâtiment suit rapidement les variations de température extérieure. Une constante de temps élevée signifie qu'il évolue lentement et amortit davantage les variations.

La Constante de temps peut se calculer ainsi

τ = C / H

Où C (J/°C) est la capacité thermique utile du local c’est à dire la somme, pour chaque paroi en contact avec l'ambiance intérieure, du produit de sa surface par sa capacité surfacique.

H (W/°C) est le coefficient de déperditions du local, enveloppe et renouvellement d'air confondus.

Concrètement, quels rôles jouent les différents matériaux et composants dans la constante de temps du bâtiment en particulier l’été ?

• L'isolation réduit les flux de chaleur mais ne crée pas à elle seule un grand déphasage.

• L’enveloppe va participer au déphasage, en décalant le transfert de chaleur vers le local, et chaque local au bâtiment.

• Les protections solaires empêchent les apports et limitent l’énergie transmise à l’intérieur du bâtiment.

• Les éléments intérieurs, parois, cloisons, sol, plafond, cloisons, etc. permettent selon leur composition de plus ou moins stocker temporairement l'énergie.

• La ventilation nocturne va permettre une décharge de cette énergie.

Lors d'une journée chaude suivie d'une nuit fraîche (15 à 18 °C), le bâtiment peut restituer pendant la nuit une grande partie de l'énergie accumulée. Chaque matin, la masse thermique repart presque « déchargée ».

Aucun des trois éléments suivants (déphasage de la paroi, capacité d'absorption du local, moyen d'évacuation) pris isolément n'obtient cet effet. C'est leur combinaison et elle seule qui produit le résultat.

Vagues de chaleur et canicule : ça se complique !

En période de vagues de chaleur ou de canicule, la température de l’air extérieur est très élevée, le rayonnement solaire est intense du lever au coucher du soleil et les températures redescendent peu durant la nuit.

Lors d'une canicule avec des nuits restant au-dessus de 20 °C, qualifiée par Météo France de nuit tropicale, cette décharge devient incomplète. Jour après jour, la masse thermique accumule davantage d'énergie. La température moyenne du bâtiment augmente progressivement et la température intérieure tend vers un nouvel équilibre correspondant à un niveau d'énergie plus élevé.

La constante de temps ne change pas : c'est l'état énergétique du bâtiment qui évolue et qui ne peut plus garder un différentiel confortable avec les températures extérieures. Le confort dépend alors autant de la possibilité d'évacuer cette énergie que de l'inertie elle-même.

Se posera alors la question d’un « apport de froid » pour limiter la température intérieure à condition que tous les éléments limitant la montée en température aient été actionnés en commençant par les protections solaires, et en passant par l’isolation, l’inertie et la capacité à ventiler et surventiler autant que possible.

A retenir

L'inertie ne bloque jamais la chaleur : elle en ralentit simplement les effets. Une constante de temps élevée offre un  bon confort en été lorsque le bâtiment peut se refroidir chaque nuit.

• Le déphasage d'une paroi indique quand la chaleur retardée atteint l'ambiance intérieure.

• La constante de temps indique ce que ce bâtiment (ou ramené à l’échelle : un local) avec l’ensemble de ses parois est en mesure de faire et de se comporter lorsque des variations de températures extérieures affectent l’enveloppe du bâtiment.

Ces éléments relèvent de mécanismes physiques différents, se calculent séparément, et aucun ne se déduit des autres. N'évaluer un matériau ou une paroi sur son seul déphasage, sans considérer conjointement la capacité d'absorption du local qui le reçoit et le moyen d'évacuation dont ce local dispose, revient à ne raisonner que sur un seul élément dont l’effet sera extrêmement limité.

La constante de temps ne mesure pas la vitesse de la chaleur dans un matériau. Elle mesure la vitesse de réponse du bâtiment dans son ensemble. Plus elle est élevée, plus le bâtiment résiste aux variations rapides de température. Cette propriété améliore le confort d'été… à condition que le bâtiment puisse se refroidir régulièrement, notamment pendant la nuit.

Conception illustrations : IA et Cercle Promodul