Éléments physiques de base relatifs à la construction

La température ambiante ne contribue pas à elle seule à une habitation confortable et un environnement de travail bénéfique. L'humidité joue également un rôle dans le confort de notre habitation. La sensation de froid à proximité de l'enveloppe du bâtiment, par exemple directement à côté de fenêtres ou de façades en verre mal isolées, est déclenchée par des pertes de chaleur rayonnante du corps humain et influe sur la température ressentie dans la pièce. L'air froid sur les surfaces de l'enveloppe externe du bâtiment, déclenche l'apparition d'un « courant d'air désagréable ». Les verres de haute performance modernes, permettent d'éviter ces effets. Toutefois, la sensation de confort dépend dans une large mesure de la perception subjective des utilisateurs. Cependant, des zones doivent être au moins définies pour un climat intérieur, où la plupart des utilisateurs se sentent bien. Afin de préserver la santé des habitants et la structure d'un bâtiment, il convient d'éviter des dommages au niveau des constructions, engendrés par la formation de moisissures et l'humidité. L'eau peut cependant pénétrer à la fois à l'état liquide et apparaître en grande quantité à l'intérieur des bâtiments, à des endroits inattendus, par la condensation d'air humide.

Le concepteur d'un bâtiment moderne étanche doit donc aborder la question de la protection contre l'humidité. Il n'est guère possible d'améliorer davantage les qualités physiques de l'enveloppe de bâtiment. Une construction dans le respect du climat, répond aux trois principales revendications :

• Protéger l'homme, l'animal, les productions et la marchandise stockée des conditions météorologiques 
• Créer un climat intérieur approprié aux besoins des utilisateurs 
• Éviter les sinistres climatologiques sur les bâtiments.

Ce chapitre traite des notions de base et des caractéristiques relatives au thème de la protection contre l'humidité, explique les conditions climatiques en en termes de confort, les apparitions de condensation sur les verres d'isolation et les règles de base les plus importantes relatives au thème de ventilation.

L'air qui entoure notre Terre est un mélange de différents gaz. Pour la majeure partie, il est composé d'azote et d'oxygène. À cela s'ajoutent d'autres gaz en petites quantités et quantités infimes, par exemple le gaz rare Argon ou le dioxyde de carbone. On trouve également de la vapeur, c'est-à-dire l'eau sous forme de gaz, dans le mélange gazeux de notre atmosphère terrestre.

La pression atmosphérique dans son ensemble, donc le poids d'une colonne d'air sur la surface de la Terre, se compose des pressions partielles de chacun des constituants de l'air. La pression partielle correspond à la pression qu'exercerait chacun des composants de gaz, par leur seule présence. La pression atmosphérique s'exprime en Pascal, 1 Pa = 1 N/m². La plupart du temps, la pression atmosphérique est indiquée en Hektopascal 1hPa=100Pa.

L'humidité désigne la teneur en vapeur d'eau dans l'air. Familièrement, on entend souvent par vapeur d'eau des nuages de vapeurs, du brouillard et des nuages visibles. Cependant il y a déjà de fines gouttelettes d'eau condensées qui flottent dans l'air. En science et en ingénierie, l'état gazeux de l'eau est désigné par vapeur d'eau. L'eau sous forme de gaz est invisible.

Comme mesure de la quantité figurant dans un volume d'air pour une température donnée de vapeur d'eau, c'est-à- dire pour l'humidité absolue, la densité de la vapeur est exprimée en g/m3. En physique, la pression partielle de vapeur d'eau est généralement utilisée.

Si on indique sur une courbe de température la valeur maximale de vapeur d'eau en g/m3, l'air absorbé jusqu'à saturation (ou la pression de vapeur de saturation d'eau), on obtient la courbe du point de rosée. Si l'on applique cette courbe intégralement, on peut en déduire les courbes d'humidité relative en fonction de la température. L'humidité relative Φ, une valeur en %, indique la quantité maximale possible de vapeur d'eau déjà contenue dans l'air (ou le pourcentage de pression de vapeur de saturation d'eau atteint à une certaine température, c'est-à-dire le rapport de la pression partielle d'eau à la pression de vapeur de saturation d'eau).

On peut lire sur les courbes la quantité de grammes d'eau pour une certaine humidité relative et température, figurant dans un mètre cube d'air (ou la pression partielle de vapeur d'eau atteinte en ce point). Étant donné qu'il est plus pertinent d'indiquer les grammes d'eau par m³ qu'une pression, la figure ci-dessous illustre la densité de la vapeur d'eau.

Exemples pratiques de ces relations : 

• Si l'air d'une pièce, par courant d'air, est remplacé par de l'air froid, qui est alors réchauffé sans apport ou retrait de vapeur d'eau, l'humidité relative diminue. À une température élevée, l'air peut absorber une plus grande quantité maximale de vapeur d'eau.
• Inversement, la règle suivante s'applique : Si l'été, sous une chaleur accablante la cave froide est aérée, l'air extérieur chaud refroidit dans la cave et paraît donc relativement plus humide. Si l'humidité relative augmente à la limite du point de rosée, il s'en suit une précipitation de l'eau de condensation dans la cave, l'air est alors plus humide que sec.
• Même la bouteille de bière glacée refroidit l'air ambiant, de même que les lunettes froides, lorsque l'hiver, on arrive de l'extérieur. Sans que cela n'augmente l'apport en vapeur d'eau, l'humidité relative augmente rapidement dans un endroit frais. Lorsqu'on arrive à 100 % d'humidité relative, des gouttes de rosée se forment sur les surfaces froides, lorsque la vapeur d'eau en excès se refroidit.

La température du point de rosée indique la température d'une surface à laquelle la vapeur d'eau contenue dans le volume d'air environnant commence à se condenser et à laquelle il se forme sur la surface des gouttes de rosée ou à laquelle l'humidité augmente sur des matériaux absorbants.

20 °C et 50 % d'humidité relative caractérisent ce qu'on appelle des conditions de température normales (DIN 4108-3), utilisées généralement pour effectuer les calculs. Dans des conditions de température normales, la température de surface critique pour la condensation (température du point de rosée TDP,(DP= dew point)) est 9,3 °C.

Des moisissures se forment dans l'air sous forme de spores. Dans la nature, les moisissures jouent un rôle important lors de la décomposition de la matière organique en humus. Dans les espaces intérieurs, sur les murs et les composants, elles représentent cependant un risque considérable pour la santé. Elles peuvent déclencher des réactions allergiques, être néfastes pour les voies respiratoires et la peau et causer diverses indispositions. Pour que les pores des moisissures puissent germer et pousser, elles ont besoin d'un substrat et pendant un certain laps de temps, d'une humidité relative d'au moins 80 %. Lorsque l'air se refroidit sur les surfaces froides, en toute logique, on atteint les 80 % d'humidité relative avant les 100 %. Cela signifie que la température limite pour la formation de moisissure est supérieure à celle de l'eau de condensation. Sous des conditions climatiques normales (20/50), la limite pour les moisissures est déjà atteinte à 12,6 °C (DIN 4108-3).

Afin d'éviter la présence d'eau de condensation, l'humidité relative de 100 % ne doit être atteinte à aucun endroit d'une surface des pièces. Afin d'éviter la formation de moisissure, à aucun endroit l'humidité relative de 80 % ne doit être atteinte ou dépassée. Afin d'éviter toute corrosion du matériau, d'autres spécifications peuvent être définies pour l'humidité de la surface maximale autorisée.

Humidité relative critique sur les surfaces de composant :

• Pour la formation d'eau de condensation Ф_si,cr = 100 % hum. rel correspond à température ambiante, à 9,3 °C 
• Pour la formation de moisissure Ф_si,cr = 80 % hum. rel correspond à température ambiante, à 12,6 °C

Si un climat spécifique s'écarte de la température ambiante (DIN 4108-3), les spécifications pour l'humidité relative critique sur les surfaces de composants restent applicables. Cependant, d'autres valeurs apparaissent pour les températures de surfaces critiques minimales autorisées. Pour des conditions climatiques ambiantes spécifiques, la température minimale critique d'une surface intérieure T_si,min peut être calculée pour chaque cas précis ou approximativement à l'aide des tableaux A.1 et A.2 de la norme DIN 4108-3. Pour un climat spécifique avec, par exemple 60 % d'humidité relative et 21 °C de température ambiante, la limite pour les moisissures passe à 16,5 °C et la température du point de rosée est de 13 °C.

Le climat spécifique est déterminé par la ventilation et le chauffage de la pièce. Un autre comportement d'utilisateur joue un rôle, par exemple, le nombre de personnes présentes dans les pièces, les

plantes d'intérieur, le type de mobilier, la cuisine, le sèche-linge dans les séjours etc. Le climat extérieur définit avec le climat intérieur, la contrainte de climat.

À partir des spécifications concernant l'humidité relative de l'air critique à respecter, Ф_si,cr les températures minimales requises pour les surfaces intérieures sont obtenues. Les contraintes de climat déterminent la protection solaire minimale requise pour l'enveloppe du bâtiment thermique.

Une chute de température est observée dans l'enveloppe extérieure des bâtiments chauffés lorsque l'air chaud ambiant parvient à la température froide de l'air extérieur. De ce fait, la température de surface côté extérieur d'une fenêtre, par exemple, est supérieure à la température extérieure. Inversement, la température sur la surface intérieure est inférieure à celle de l'air ambiant. Un matériau parfaitement isolant présente à l'intérieur une température de surface élevée, proche de l'air ambiant. Lorsque l'isolation est mauvaise, la température de surface baisse déjà sensiblement par les pertes de chaleur vers l'extérieur. Outre le fait que la perte de chaleur entraîne en permanence des coûts énergétiques élevés, un composant mal isolé est également néfaste en termes de confort et d'hygiène. On n'aime pas être à côté de surfaces froides entraînant une sensation de courant d'air. Et sur les surfaces froides, l'eau de condensation de l'air peut provoquer une précipitation qui à long terme, occasionne des moisissures. La moisissure peut se développer sur des surfaces dès une humidité relative de 80 %.

La capacité d'isolation thermique d'un composant est caractérisée par la valeur U. Cependant si on souhaite évaluer la protection contre l'humidité, la valeur U à elle seule ne suffit pas car comme valeur moyenne supérieure à la surface du composant, elle n'indique rien sur les défauts locaux. Il est alors nécessaire d'indiquer la température la plus basse atteinte à un certain point du composant. Le calcul bidimensionnel d'une section de fenêtre selon la norme SN ISO EN 10077-2, fournit comme résultat, outre le flux thermique, également le profil de température. Sur le cadre et au bord du verre, on peut lire les températures de surface, obtenues selon les conditions de calcul définies (à l'intérieur 20 °C, à l'extérieur 0 °C). Pour les fenêtres, la température de surface intérieure la plus basse T_si,min se situe généralement dans la zone des ponts thermiques, au bord du verre.

Si la température extérieure est inférieure, la température de surface baisse, pour atteindre à nouveau le même rapport. Exemple : Température ambiante T_i = 20 °C et température extérieure T_e = -10 °C donne une différence T_i – T_e = 30 °C. Multiplié par le facteur f 0,7 ou 70 % => 0,7 (20 – (-10)) = 21 °C comme différence de température restante des surfaces de composants à la température extérieure. Il en résulte comme valeur de température de surface T_si,min = -10 °C + 21 °C = 11 °C.

En outre, le facteur f permet d'évaluer le risque de formation d'eau de condensation. Si la température d'une surface baisse en dessous de la température du point de rosée (T_DP) de l'air environnant, de l'eau de condensation se forme à cet endroit. Tout le monde a déjà observé aux fenêtres, lorsque les températures extérieures sont basses, de la condensation le long du bord intérieur du vitrage, notamment lorsque des intercalaires traditionnels en aluminium ont été utilisés.

f_Rsi      Facteur de température

T_i        Température intérieure – internal

T_e       Température extérieure – external

T_si,min Température de surface minimale à l'intérieur – surface internal

Pour une température ambiante, la règle suivante s'applique : Pour une température de 20 °C T et 50 % d'humidité relative, la température du point de rosée correspond à T_DP =9,3 °C. Si la température de surface minimale T_si,min est supérieure, de la condensation peut se former. Cependant, la moisissure commence à se former non pas dès la présence d'eau de condensation, mais déjà à environ 80 % d'humidité relative, valeur déjà atteinte à une température de 12,6 °C (Chapitre Humidité et condensation). Ces deux températures limites permettent de calculer, selon la norme DIN 4108-3 pour la contrainte de climat standardisée de -5 °C à l'extérieur et +20 °C à l'intérieur, les facteurs f suivants, comme valeurs limites pour la surface intérieure :

Facteurs de température minimaux requis selon la norme DIN 4108-3 :

• Pour éviter la formation d'eau de condensation f_Rsi,min = 0,57
• Pour éviter la formation de moisissure f_Rsi,min = 0,70

Toutefois, selon la norme SN EN ISO 13788, les fenêtres et les constructions poteaux-traverses sont exclues de cette règle : l'eau de condensation qui s'y forme est temporaire et admise en petites quantités, si la surface n'absorbe pas l'humidité et que les dispositions correspondantes ont été prises pour éviter tout contact avec des matériaux sensibles contigus.

Avec un bord chaud et un triple vitrage à la fenêtre, le facteur de température 0,7 est cependant dans la plupart des cas atteint voire même dépassé.

Le diagramme suivant permet de déterminer la température extérieure critique, en fonction de la température ambiante, de l'humidité relative et de la valeur U du vitrage, en cas de condensation sur la surface intérieure.

Selon les contraintes de climat extérieur et les directives en matière de climat ambiant, les exigences liées à la réalisation d'enveloppe de bâtiment diffèrent complètement. L'architecture bioclimatique vise à maintenir un climat intérieur agréable, par une conception de bâtiment optimale, le plus longtemps possible au cours de l'année, sans dépense énergétique de chauffage et de climatisation. Lorsqu'une pièce doit être chauffée ou climatisée temporairement, ce processus doit être mis en place de manière optimale et le bâtiment doit être protégé l'hiver contre les pertes de chaleur et l'été contre un apport excessif en énergie.

Le confort thermique signifie pour les utilisateurs et habitants des bâtiments qu'ils sont satisfaits de l'atmosphère ambiante.

Le confort thermique dans les bâtiments dépend de nombreux facteurs. 

• Climat intérieur: Tempéérature ambiante, humidité, mouvement de l'air, qualité de l'air, lumière, températures de surface, échange de rayonnement, niveau acoustique/sonore.
• Utilisateur: vêtement,niveau d'activité, autre comportement
• Climat extérieur: Température extérieure, précipitation, vent, sources sonores

Étant donné que la notion de confort diffère d'un individu à un autre, des zones ont été indiquées, où la plupart des gens sont satisfaits du climat intérieur. Les lieux de confort superposés pour la température ambiante et l'humidité, étroitement liés, peuvent être représentés sur des diagrammes, comme zone de confort.

La température perçue (température ressentie) se compose de l'effet combiné de la température ambiante et des températures de surfaces de confinement. La fraîcheur des parois doit être compensée par des températures ambiantes élevées. Inversement, des parois chaudes dans certaines limites, peuvent compenser une température ambiante plus basse.

Plus la différence de température entre l'air ambiant et la surface enveloppe interne est importante, plus les habitants ressentent un inconfort. Les triples vitrages fortement isolants, grâce à leurs températures de surface intérieures avoisinant la température ambiante, assurent un confort domestique optimal. Il est ainsi également possible de passer un moment agréable l'hiver, dans de vastes espaces vitrés, à chaque endroit.

Sur les fenêtres à simple vitrage, la formation de condensation, l'hiver sur toute la surface interne du verre, était normale. S'il faisait suffisamment froid dehors, des fleurs de givre se formaient. Seule l'invention du verre isolant avec un espace intercalaire hermétique, toujours sec, a permis d'éviter ce processus.

Lorsque de la condensation se forme avec un verre isolant, il convient avant tout de déterminer où cela se passe : à l'intérieur, dans l'espace intercalaire ou à l'extérieur. Pour comprendre ces processus, une connaissance des bases physiques, tirée des sections précédentes de ce chapitre, est requise.

De la condensation peut apparaître
a) sur la surface intérieure de la vitre intérieure

b) au bord du verre de la vitre intérieure

c) sur la surface extérieure de la vitre extérieure

d) dans l'espace intercalaire

Cas a)
Sur la surface intérieure des verres isolants modernes, notamment pour les verres isolants triple vitrages, il ne se forme presque plus d'eau de condensation. Les températures de surface, au centre du verre intact sont si élevées que de l'eau de condensation pourrait encore se former, uniquement dans des cas extrêmes, en cas de très forte humidité, associée à des températures extérieures très basses.

Cas b)
Le joint périphérique d'un verre isolant représente avec l'intercalaire et les matériaux de scellement, une liaison conductrice et constitue un point thermique faible, notamment lorsque des intercalaires classiques en aluminium ou en acier ont été utilisés. Sur le bord intérieur du verre, en cas d'humidité, de l'eau de condensation, peut se former. Les intercalaires thermiques améliorés par la réduction des ponts thermiques disposent d'une zone exempte de condensation beaucoup plus grande. Il existe là aussi des limites, lors de contraintes défavorables. Comme pour le cas a), la règle suivante s'applique : Le facteur f connu de la structure permet de calculer à quelle température extérieure, pour la température intérieure donnée, le processus de condensation commence. La condensation intérieure sur des surfaces vitrées au bord du verre peut cependant être due à d'autres facteurs : Aujourd'hui, les fenêtres doivent être installées de manière étanche. Sans système d'aération judicieux, les bâtiments étanches à l'air entraînent rapidement une augmentation d'humidité et donc de l'eau de condensation à court terme. Des défauts de construction lors de la planification, peuvent également aggraver un problème d'eau de condensation.

Cas c)
La condensation sur la face extérieure d'un verre isolant est la preuve physique de ses bonnes propriétés d'isolation, même si la présence d'eau de condensation à cet endroit perturbe, car elle empêche une transparence parfaite. Du reste, il y en a également sur la paroi extérieure, mais là elle n'est pas
aussi visible. En effet, la vitre extérieure non ombragée et les parois extérieures émettent, lors d'une nuit claire, un rayon- nement thermique et grâce à leur bonne isolation, ne transmettent pas la chaleur provenant de l'intérieur. Leur température de surface peut alors baisser en dessous de la température du point de rosée de l'air extérieur. Les vitrages inclinés, comme les fenêtres de toiture sont plus impactés par cet effet que les vitres verticales, de la même façon que la vitre avant d'une voiture. Si l'on ne souhaite pas ombrager les vitres, un revêtement extérieur peut être utile, car il empêche le rayonnement.

Cas d)
Dans l'espace intercalaire d'un verre isolant neuf, règne une chaleur totale, avec une température du point de rosée inférieure à -60 °C, la formation d'eau de condensation est donc pratiquement impossible. Avec un verre isolant, si toutefois de l'eau de condensation se forme dans l'espace intercalaire, la structure est endommagée. Le joint périphérique n'est plus étanche et l'agent déshydratant est saturé. La vitre ne peut plus être réparée.

Une aération appropriée réduit le risque de dommages dus à l'humidité et permet ainsi de prévenir les problèmes de santé et de physique.

En raison des exigences énergétiques accrues, les enveloppes de bâtiment sont aujourd'hui étanches. Il n'y a plus de fuite au niveau de l'aération. L'aération contrôlée et souhaitée revêt donc toute son importance. Un système d'aération doit, par d'autres mesures, assurer la ventilation en veillant si possible à réduire les pertes énergétiques. La norme DIN 1946-6 définit si des mesures techniques de ventilation sont requises et décrit la façon dont un système d'aération doit être déterminé. Elle définit des exigences concrètes concernant le renouvellement d'air minimum, pour garantir une aération indépendante de l'utilisateur. Cette responsabilité revient au concepteur, à l'architecte et à l'entrepreneur ou l'artisan. Des concepts d'aération, notamment dans le domaine de la rénovation de bâtiments, peuvent être parfaitement mis en œuvre avec des systèmes d'aération décentralisés, intégrés à la fenêtre (diffuseurs ou ouvertures de déversement, ventilateurs de rebord de fenêtre, éléments superposés, ventilateurs de feuillure de fenêtre, ventilateurs à armatures, appareils d'aération actionnés par un ventilateur, avec ou sans récupération thermique, régulés manuellement, automatiquement ou par capteur.

Bien évidemment, l'utilisateur doit également veiller à aérer régulièrement en évacuant l'humidité et les substances olfactives et nocives vers l'extérieur et en apportant de l'air frais. L'aération par poussée ou transversale reste la meilleure solution. L'air ambiant chaud, humide est alors remplacé rapidement et intégralement par de l'air froid, sans refroidir le revêtement de la pièce et les objets qui s'y trouvent. Dans un bâtiment sans dispositif de ventilation, il est indispensable d'aérer régulièrement.