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L’enveloppe du bâtiment


Les besoins de chauffage, prédominants tant dans le résidentiel que dans le tertiaire (respectivement plus des deux-tiers et de la moitié de la consommation énergétique finale) dépendent essentiellement de la performance de l’enveloppe du bâtiment : les murs, le sol, la toiture, les baies vitrées et fenêtres sont les principaux lieux de déperditions thermiques, avec le système de ventilation. Trois qualités sont importantes dans l’enveloppe d’une habitation afin d’assurer de manière passive un confort thermique optimal : l’isolation thermique, l’étanchéité à l’air et l’inertie thermique.

Néanmoins, la performance thermique n’est pas le seul critère déterminant pour l’enveloppe d’un bâtiment : celle-ci doit également posséder de bonnes propriétés hydriques et acoustiques, pour des questions de confort et de santé, de bonnes propriétés mécaniques, pour des raisons de solidité structurelle, et de bonnes protections contre le risque d’incendie. Par ailleurs, ces propriétés doivent être stables dans le temps. Un autre paramètre à considérer est l’énergie grise des matériaux utilisés pour la construction.



Les techniques et matériaux de construction


Parmi les types de construction, on distingue traditionnellement les structures légères (constructions à ossature bois) des structures lourdes (béton, brique) : les deux peuvent convenir pour construire un bâtiment à haute performance énergétique, l’arbitrage dépendant de l’utilisation du bâtiment, du nombre d’étages, des préférences locales et individuelles.

On peut également mentionner l’utilisation d’éco-matériaux comme le chanvre, la terre crue et la paille : les tendances sociétales dans le choix des matériaux étant très variées, ces éco-matériaux resteront utilisés dans la construction bien que dans une proportion qui ne peut être que marginale.

La végétalisation des parois extérieures, toitures et maintenant murs, peut apporter des solutions intéressantes : à leurs propriétés d’isolation thermique et acoustique, les surfaces végétalisées ajoutent des propriétés d’absorption de CO2 et, le cas échéant, de dépollution.

=> Les constructions à ossature bois
L’utilisation du bois pour la construction de bâtiments de petite taille, très répandue en Europe du Nord et en Europe centrale, pourrait éventuellement se développer plus largement en France, en partie parce que le bois se prête bien à la préindustrialisation. En outre, la légèreté du bois le rend particulièrement bien adapté pour la construction de péri-structures (étages, balcons) se rajoutant à des bâtiments préexistants. Les procédés de traitement du bois pour améliorer sa tenue dans le temps se sont également améliorés.

=> Les parois lourdes
La fabrication des matériaux composant les parois lourdes (béton, brique) est fortement consommatrice en énergie. Des améliorations sur cet aspect dans les processus de fabrication sont prévisibles, notamment pour le plâtre dont le procédé de fabrication n’a pas évolué depuis longtemps. Ces améliorations se traduiront par une diminution de l’énergie grise liée à l’emploi de ces matériaux.

Les progrès accomplis dans la connaissance fine de la structure du béton et la capacité à construire des modèles multi-échelles, de l’échelle nanométrique à l’échelle d’une structure complète, ont permis des avancées substantielles dans la formulation de bétons ayant des performances ciblées. Des progrès importants sont encore à venir.

Ces innovations concernent différents types de béton.

Les bétons à ultra haute performance


Les bétons à ultra haute performance présentent des caractéristiques exceptionnelles tant mécaniques (résistances en compression atteignant 200 MPa (mégapascals), résistances en flexion dépassant 40 MPa), que de durabilité, de résistance à l’abrasion, de résistance aux agressions chimiques ou aux intempéries (gel-dégel, eau de mer, etc.).

L’intérêt de ces bétons, compte tenu de leur coût, ne concerne pas les constructions courantes mais plutôt les ouvrages exceptionnels (ouvrages d’art ; bâtiments à la structure architecturale particulière).

Les bétons auto-réparants


L’enjeu principal est d’augmenter la durée de vie des bétons en limitant la formation de micro-fissures et donc les risques de corrosion des aciers (ce qui est intéressant d’abord pour les grands ouvrages de travaux publics, plus que pour les bâtiments). Il existe au moins trois techniques qui permettent d’augmenter la durée de vie d’un béton par des procédés totalement différents :
  • l’auto-réparation par micro-capsules : développée par l’université de Rhode Island (États-Unis), la technique consiste à incruster un agent « guérisseur » à base de silicate de sodium dans le mélange de béton, qui va être relâché sous l’effet de la contrainte causée par les fissures ;
  • l’auto-réparation par un réseau de colle liquide (partenariat entre la France et le Département de la Défense américain) : la technique vise à incorporer au sein des matériaux des réseaux très fins remplis de colle liquide qui, en durcissant au contact de l’air, colmate les micro-fissures ;
  • l’auto-réparation par bactéries (Pays-Bas) : la technique utilise des bactéries, qui en consommant de l’oxygène, fabriquent un matériau qui bouche les fissures.


Les bétons autonettoyants et dépolluants


Le béton est naturellement absorbeur, dans le temps, d’oxyde de carbone ; des travaux sont en cours pour améliorer cette propriété, sans affecter les autres propriétés, notamment mécaniques ou de conductivité thermique, du produit. Des perspectives existent et un béton capable de s’auto-nettoyer afin d’éviter le noircissement des façades dû à la pollution atmosphérique tout en réduisant cette pollution, développé par le groupe Italcementi, fait actuellement l’objet de tests en grandeur nature.

Le procédé repose sur le principe de la photocatalyse, c’est-à-dire l’utilisation d’une substance (un catalyseur) qui, lorsqu’elle est soumise à la lumière, accélère une réaction chimique sans pour autant être consommée, ce qui permet normalement de conserver l’effet actif indéfiniment.

Dans le cas de ce béton, le catalyseur utilisé est le dioxyde de titane (TiO2) qui, lorsqu’il est exposé à la lumière, permet de désolidariser de la surface les salissures qui sont alors entraînées par la pluie, ce qui donne cet effet autonettoyant. Le catalyseur accélère également la décomposition de certains éléments polluants produits par la circulation automobile, le chauffage ou l’industrie, comme les oxydes d’azote (NOx) ou les composés organiques volatils (tels que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et l’ortho-xylène, très toxiques), qui sont transformés en substances moins nocives comme le dioxyde de carbone, l’eau et les nitrates. Les questions de stabilité dans le temps et d’éventuels risques de relargage soit de la pollution, soit des nanoparticules d’oxyde de titane méritent attention.

Les bétons à conductivité thermique réduite


L’incorporation de granulats poreux à base argileuse, couplés à certains adjuvants, permet à la fois d’obtenir des propriétés mécaniques acceptables et des divisions de conductivité thermique par un facteur 3 ; les recherches en cours visent à passer à une diminution par un facteur 10. Ces bétons sont particulièrement intéressants car ils réduisent les ponts thermiques qui se constituent naturellement entre les voiles de façade et les planchers de niveaux intermédiaires des bâtiments. Les travaux correspondants sont notamment développés par Lafarge en association avec Bouygues Construction.


Les matériaux innovants pour l’isolation


En ce qui concerne les isolants traditionnels (laine minérale, polystyrène expansé, ouate de cellulose), l’amélioration des résultats se fait essentiellement par le renforcement de leurs épaisseurs (20-30 cm sur les murs, voire 40 cm pour les maisons passives), ce qui est possible en construction neuve mais inenvisageable en rénovation par l’intérieur du bâtiment. Les innovations concernent également l’utilisation d’isolants d’origine végétale ou animale (paille, liège, laine de mouton, laine de chanvre, lin, coton) qui, à conductivité thermique équivalente, possèdent des énergies grises bien inférieures et donc un impact plus faible sur l’environnement.

=> Les super-isolants minces
Les super-isolants minces sont intéressants pour la construction neuve mais surtout pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des bâtiments existants par des aménagements intérieurs à la structure : en raison de leur faible conductivité thermique (λ), ils permettent de renforcer l’isolation en minimisant la perte de surface utile. On distingue, parmi eux, les panneaux à base d’aérogels et les panneaux isolants sous vide.

Les aérogels


Les aérogels sont issus des nanotechnologies : ce sont des matériaux remplis d’air à 99 %. Ils se présentent sous forme de matelas flexibles, avec une conductivité thermique très faible (approchant 0,01 W/m.K soit plus de trois fois inférieure à celle d’une mousse standard). Les plus utilisés sont ceux de silice mais tous les matériaux formant des gels aqueux comme les argiles peuvent a priori être utilisés. Des fabricants produisent déjà des panneaux de construction à base d’aérogel (Spaceloft®, Pyrogel® XTF, Cryogel®) et seul un fabricant américain, Aspen Aerogels, diffuse pour l’instant ce produit en Europe.

Les prix des produits aujourd’hui disponibles sur le marché sont élevés, autour de 1 800 euros/kg : pour une résistance thermique de 2,5 Km²/W, on aurait donc un coût de 180 euros par mètre carré de surface couverte. Le Maérogel, solution envisagée de développement d’un aérogel moins coûteux à base de déchets agricoles de riz, pourrait faire baisser ce coût à 400 euros/kg soit 40 euros/m².

Les aérogels de silice sont transparents mais bloquent le rayonnement thermique, ce qui ouvre bien des perspectives pour leur utilisation : comme matériau de remplissage de doubles vitrages ou pour réaliser des panneaux solaires thermiques beaucoup plus efficaces et plus minces.

Les progrès sont à chercher du côté de la réduction des coûts d’industrialisation de ces isolants. L’aérogel d’argile, plus facile à fabriquer que celui de silice, pourrait alors constituer une voie de progrès possible.

L’isolation sous vide


Les qualités thermiques du panneau isolant sous vide (PIV) sont excellentes : en raison de sa très faible conductivité thermique (λ voisin de 0,005 W/m.K), 1 cm de PIV correspond à 6 cm de polystyrène expansé ou à 9 cm de laine minérale pour une isolation équivalente, ce qui a un effet très sensible sur la surface au sol prise par l’isolation, notamment pour des utilisations en rénovation par l’intérieur de bâtiments existants.

Le panneau isolant sous vide reprend le principe de la bouteille thermos en créant un système de vase clos : il se compose d’un matériau micro ou nanoporeux (polyuréthane, polystyrène extrudé, laine de roche, poudre de silice, aérogel, etc.) mis sous vide et confiné dans un film étanche à l’eau et à l’air. Ce matériau, fragile, est ensuite recouvert d’un parement servant de protection mécanique dans le but de garantir une durée de vie satisfaisante et sa mise en place sans dommage.

Son prix variait en 2005 entre 40 et 60 euros/m². Depuis, des fabricants ont pu améliorer cette technologie (en permettant par exemple la découpe possible des panneaux et en rajoutant des protections anti-percement pour ne pas détruire le vide).

Des recherches sont conduites en Allemagne (Institut Fraunhofer). Un développement à l’échelle industrielle est en cours en Allemagne par Weber (filiale de Saint-Gobain) et Porextherm. En France, Saint-Gobain s’intéresse à ces produits.

Les progrès à réaliser concernent les procédés de fabrication, qui sont trop coûteux aujourd’hui, et les facilités d’utilisation.


=> L’isolation par l’extérieur
Beaucoup de matériaux sont déjà disponibles, qui possèdent à la fois une bonne adhérence et de bonnes propriétés rhéologiques, et les progrès attendus sont réduits. Les conditions pour une isolation par l’extérieur performante sont une bonne adhérence à un support et de bonnes propriétés rhéologiques. C’est une valeur sûre sur le plan de l’esthétique et du confort thermique mais pas tellement en ce qui concerne le confort hydrique. Dans l’existant, cette technique possède l’avantage de ne pas empiéter sur des surfaces utiles valorisables et permet également de traiter les ponts thermiques.

Les matériaux à changement de phase


Les matériaux à changement de phase peuvent être utilisés dans l’enveloppe du bâtiment pour améliorer son inertie thermique (qui joue un rôle primordial pour le confort d’été). Ils peuvent également servir pour des applications spécifiques de stockage de chaleur (dans les ballons d’eau chaude ou dans des conteneurs dédiés).

Le principe consiste à utiliser la chaleur latente d’un matériau, c’est-à-dire la chaleur accumulée ou restituée lors d’un changement de phase. Cette énergie est liée à la modification des liaisons internes du matériau lors du changement de phase. Divers matériaux, essentiellement à base de paraffine, ont pu être développés pour avoir des températures de changement de phase répondant aux différents besoins.

Les autres pistes de progrès sur les matériaux


Ainsi, des pistes intéressantes existent sur le développement de matériaux satisfaisants sur le plan de l’isolation et de l’inertie thermiques, que des progrès en ingénierie de la porosité (à travers la maîtrise de la porosité artificielle grâce au biomimétisme) pourraient multiplier. Des progrès sont aussi possibles du côté des procédés de mise en oeuvre. Les enjeux de recherche devraient également porter sur le développement de produits intégrant les différents critères requis pour une bonne enveloppe (acoustique, hydrique, sanitaire et environnementale) et pas uniquement la performance énergétique.

Vitrage (triple vitrage, vitrage à adaptation, vitrage photovoltaïque)


Le vitrage a déjà connu des évolutions importantes, avec le développement des doubles vitrages, aujourd’hui largement répandus. De nouvelles pistes d’innovation se sont ouvertes.

=> Le triple vitrage
L’intérêt du triple vitrage pour les zones très froides comme les pays nordiques est manifeste. En plus de ses bonnes performances thermiques, ce vitrage protège contre le bruit extérieur et améliore le confort, en réduisant l’effet de paroi froide à proximité des fenêtres. Dans des pays à climat tempéré, son utilité est à voir au cas par cas et il doit être adapté à la conception du bâtiment : il peut par exemple permettre d’avoir des ouvertures situées côté Nord.

=> Les vitrages à adaptation
Il s’agit de vitrages dont la transparence varie, pour s’adapter aux besoins de luminosité, sous l’effet d’une impulsion électrique, de l’intensité de la lumière naturelle ou encore de la température. Cela regroupe les vitrages :
  • électrochromes, sur le marché d’ici un ou deux ans ;
  • photochromes : stimulables et responsifs mais chers d’autant plus qu’en utilisant les conditions naturelles (exposition et casquette mobile), on peut reproduire des effets similaires ;
  • thermochromes.


=> Le vitrage photovoltaïque
Alors que dans une maison individuelle, la surface de la toiture peut suffire à assurer une production d’électricité à partir de panneaux photovoltaïques, dans les immeubles collectifs ou tertiaires, l’utilisation de toutes les surfaces exposées à la lumière peut être souhaitable, d’où l’intérêt que peut revêtir le vitrage photovoltaïque. Toutefois, l’orientation et l’inclinaison n’étant pas optimales, le rendement de ce vitrage est bien inférieur (réduction d’un facteur 2) à celui d’une cellule photovoltaïque normale. Dans tous les cas, le vitrage photovoltaïque ne sera une solution acceptable que si sa fonctionnalité première, i.e. laisser passer la lumière, n’est pas altérée par les dispositifs de conversion photovoltaïque. Les technologies de conversion photovoltaïque utilisées sont donc essentiellement des technologies en couches minces (silicium amorphe, alliage de cuivre, indium, gallium et sélénium ou CIGS, ou encore tellurure de cadmium ou CdTe) ou des cellules photo-électro-chimiques de type cellules de Grätzel.

Les cellules de Grätzel


Ces cellules ont un rendement global dépassant les 10 % tout en restant transparentes mais colorées. Leur composition n’est pas très coûteuse mais leur élaboration l’est. De plus, elles rencontrent aujourd’hui d’importants problèmes de durabilité.


=> La mise en oeuvre du vitrage
Il convient ici de souligner que la performance énergétique du vitrage est prioritairement dépendante de la qualité de la mise en oeuvre, et en particulier de la qualité des connexions du cadre avec la structure ; le développement de dispositifs de connexion mécanique de caractéristiques industrielles mériterait d’être exploré.