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La condensation dans les parois
La condensation dans les parois est une problématique complexe qui devra être étudiée avec le plus grand soin. Dans le fonctionnement normal d'une maison, l'air intérieur, chargé de vapeur d'eau va chercher à traverser le mur pour s'équilibrer avec l'air extérieur plus froid mais moins chargé en vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau contenue dans l'air risque de condenser dans le mur si certaines précautions ne sont pas prises. C'est l'objet de ce cours.
Pour plus de lisibilité on utilise le diagramme pression température qui permet plus simplement de visualiser les changements de phases :
La pression de vapeur saturante Pvs est la
pression que l'on va trouver à la frontière entre un liquide et un
gaz. C'est la pression à laquelle un fluide passe de l'état gazeux à
l'état liquide (ou de l'état liquide à gazeux) pour une température
donnée. Si la température du fluide augmente, la pression à laquelle le fluide passe de l’état liquide à gazeux (pression de vapeur saturante) augmente. La pression de vapeur saturante est la pression partielle de la vapeur d'un corps pur à partir de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide ou solide. Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur saturante d'une substance, les phases gazeuse, liquide ou solide sont en équilibre. A l'équilibre l'eau se rassemblera sous forme de gouttelettes sphériques pour équilibrer les forces en présence. Dans l'espace cette problématique est encore plus nette, voir ici.
Lorsque l'on est hors équilibre : - si la pression de vapeur est inférieure à la pression de vapeur saturante, une portion de liquide ou de solide passe sous forme gazeuse (évaporation, vaporisation ou sublimation) ; - si la pression de vapeur est supérieure à la pression de vapeur saturante, une portion de la vapeur passe sous forme liquide ou solide (liquéfaction, condensation).
Les manifestations de la saturation de vapeur d'eau dans l'atmosphère sont nombreuses : apparition de « vapeur » (en réalité des petites gouttelettes d'eau) au-dessus d'une casserole d'eau chaude, formation de buée, de rosée, de givre (saturation par rapport à la glace), de brouillard, de précipitations ou de nuages. La pression de vapeur saturante de l'air humide représente donc une humidité relative de 100 % (humidité absolue de saturation). Elle augmente avec la température (voir le tableau ci-dessous).
Dans un hammam on se situe à la pression de vapeur saturante. On est à l'équilibre et l'eau se rassemble sous forme de gouttelettes.
La pression de vapeur, Pv, est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.
Le transfert de vapeur d’eau est le transfert entre l’air fortement chargé en vapeur d’eau (humidité relative HR) et de l’air moins chargé en vapeur d’eau.
L’humidité relative (HR)
de l'air, ou degré hygrométrique, couramment notée
φ, correspond au
rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau contenue dans
l'air sur la pression de vapeur saturante (ou tension de vapeur) à
la même température.
C'est une mesure du rapport entre le contenu en vapeur d'eau de l'air et sa capacité maximale à en contenir dans ces conditions. Ce rapport changera si on change la température ou la pression bien que l'humidité absolue de l'air n'ait pas changé. Elle est mesurée à l'aide d'un hygromètre. A 20 °C, 1 kg d’air peut contenir jusqu'à 14,7 g de vapeur d’eau. A température et pression données, le pourcentage d’eau sous forme gazeuse par rapport à cette valeur maximale est appelée « Humidité Relative de l’air » (HR). L’air atteint son point de rosée avec une Humidité Relative de 100 %. Au-delà de ce point, la vapeur se condense en gouttelettes.
Le point de rosée est la température à laquelle l’humidité d’un gaz, comme l’air, se condense ou se liquéfie pour former des gouttelettes d’eau. Ce phénomène physique est dépendant de la pression, de l'hygrométrie et de la température. Sur le diagramme de Mollier, cela correspond au franchissement de la courbe de saturation (100%) lors d'une baisse de température.
Remarque : La masse volumique de l'air est faible 1,225 kg/m3 au niveau de la mer à 15 °C en comparaison celle de l'eau est de 1000 kg/m3 à 20 °C.
Dans l'exemple ci-dessus on se positionne au départ à 21°C avec une humidité relative de l'air de 50%. A cette température l'air est capable d'absorber le double de la quantité d'eau admise avant saturation. Lorsque la température décroit on constate que pourcentage d'humidité relative croit pour un même volume d'eau. A 18°C l'air est saturé à 60% de sa capacité à absorber de l'eau à cette température, à 16° il est saturé à 70% et à 10.5°C il est saturé à 100%. On est là au point de rosée et si la température continue à baisser, l'eau sera rendue par l'air sous forme de condensation.
Le Sd (m) d'un matériau correspond à la résistance du matériau à la diffusion de vapeur, elle désigne l'épaisseur de la couche d’air équivalente (en mètres) à la diffusion de la vapeur d’eau. Il est égal au produit du facteur de résistance à la diffusion de la vapeur d'eau d'un matériau par son épaisseur. Sd = µ x e
Un matériau ayant un Sd de 5 m exerce la même résistance à la vapeur d’eau qu’une lame d’air immobile de 5 m de largeur. Pour illustrer le propos imaginons une casserole pleine d'eau en train de bouillir, un pare vapeur avec un Sd de 5 mètres laissera passer autant de vapeur qu'une lame d'air d'une épaisseur de 5 mètres située au dessus de la casserole. Plus le μ et donc le Sd d’un matériau sont grands, plus ce matériau s’oppose à la migration de la vapeur d’eau.
µ (mu, sans unité) est le facteur de résistance à la diffusion de la vapeur d’eau d’un matériau. Il indique dans quelle mesure la vapeur d’eau traverse plus difficilement ce matériau que l’air. La valeur d’un matériau est toujours supérieure à 1. La valeur µ représente le coefficient de résistance à la diffusion de vapeur d'eau. Cette valeur est normalement sans unité mais elle compare la résistance à la vapeur d'eau d'un matériau à celle de l'air immobile de même épaisseur.
Le frein vapeur freine le passage de la vapeur d’eau ( murs perspirants ) il aura un Sd = 1 à 5 m On parle de frein de vapeur «intelligent» lorsque la membrane du frein de vapeur est à diffusion variable. Elle est alors composée de pores qui s’ouvrent ou se ferment en fonction de l’humidité de l’air, il peut être frein de vapeur ou pare vapeur.
Le pare vapeur empêche le passage de la vapeur d’eau, il se place du côté intérieur de l’habitation et possède un Sd > 10 m
Remarque : le pare pluie se posera en sous toiture à l'extérieur du mur. Son rôle est d'assurer l’étanchéité à l’eau mais il doit laisser passer la vapeur d’eau c'est le principe d'une veste en gortex. Le Sd d'un pare pluie est de l'ordre de 0.18m.
Dans toute situation les forces en jeu cherchent l’équilibre. Pour un mur soumis à deux températures différentes l’équilibre existera lorsque les deux températures seront équilibrées, ce que l’on cherche à éviter en interposant de l’isolant. Mais un autre déséquilibre existe dans cette situation et maintenu, c’est la pression de vapeur des deux côtés du mur. Ces pressions sont différentes et la pression de vapeur à l’intérieur du bâtiment va pousser la vapeur d’eau vers l’extérieur. Il faut alors absolument éviter que la pression de la vapeur d’eau superficielle soit supérieure à la pression de saturation maximum et lui permette ainsi de condenser dans le mur, ce qui conduirait irrémédiablement à la ruine du mur.
Le grand avantage de la méthode de Glaser, c’est qu’elle donne une réponse binaire : s’il n’y a pas de condensation prévue, il n’y a pas de risque. Cette méthode peut être considérée comme trop sécuritaire, de nombreuses configurations de parois doivent être rejetées alors qu’elles ne présentent pas de risque en pratique. Les principales limites de cette méthode sont d’être exclusivement statique et de ne pas considérer les transferts (absorption et redistribution) et le stockage d’eau liquide dans les pores du matériau. En fait, elle ne prend donc pas en compte les effets de la pluie, du soleil (ou du vent), qui sont pourtant significatifs du point de vue du comportement hygrothermique et de la durabilité (dans le temps) du composant. Certaines méthodes ont été dérivées de la méthode de Glaser et permettent d’obtenir plus d’information sur les quantités de condensats et la répartition des éventuelles condensations dans le temps. Elles permettent donc de vérifier la durée du séchage initial et de distinguer les condensations éphémères, qui se résorbent rapidement, des condensations rémanentes, qui s’accumulent au cours du temps. Quand peut-il y avoir de la condensation interne ?
Avec la résistance totale, on obtient le coefficient de déperdition thermique Up
Le flux thermique Φ permet de connaître la répartition des températures à l’intérieur de la paroi : Φ = Up (Tint – Text) = 0.157 x (19-(-9)) = 4.39 W/m² Formule de calcul des variations de températures : Tint – T1 = Φ x R1
Pour calculer la pression vapeur saturante Pvs, on utilisera la formule Pvs = 10u en Pascals. On calculera « u » à l’aide des formules ci-dessous en fonction de la température :
-30 °C < T < 0 °C : u = 2.7862 + {(9.7561x T) / (272.67+T)} 0 °C< T < 50 °C : u = 2.7862 + {(7.5526xT)/(239.21+T)
Remarque : attention les calculs de la pression de vapeur saturante (Pvs) sont réalisés avec la valeur non arrondie du coefficient u, ce qui entraîne une légère variation du résultat.
Pour obtenir les pressions réelles intérieure et extérieure on multipliera les pressions de saturation intérieure et extérieure par le pourcentage d’humidité relative. On obtient alors : Intérieur : Pvi = 2197.6 x 60% = 1318.6 Pa Extérieur : Pve = 283.9 x 90% = 255.5 Pa
Pour calculer la résistance à la diffusion d’une couche de matériau « g », on utilisera la formule extraite du Recknagel (Manuel du Génie Climatique) :
Où RD = 1.5 x 106 x µ x e [m².h.Pa/kg]
On trouve alors la quantité de vapeur d’eau diffusée :
d'où g = 0.218 x 10-3 kg/m².h soit 0.22 gramme par mètre carré et par heure.
Pour le calcul des pressions superficielles on utilisera la formule suivante : Pvi+1 = Pvi – (g x RD) Pour le BA13 : Pv1 = Pvint – (g x RD) = 1265,4 Pa
Tant que Pv est inférieure à Pvs, tout va bien, il n'y a pas de risque de condensation dans le mur. Par contre dès qu'on le dépasse, il y a condensation. - Profil de température dans le mur en °C
Le dessin, ci-dessus, correspond au thème du centre médicalisée.
Interprétation : A droite en coupe horizontale, la localisation du plan de coupe vertical. A gauche, l'évolution de la température dans le mur en noir et l'évolution de la température de saturation en bleu. Si la courbe bleue croisait la courbe noire, alors il y aurait condensation dans le mur, ce n'est pas le cas dans cet exemple. Lorsque la température baisse, tout de suite les deux courbes se rapprochent, mais en 3, l'OSB se comporte comme frein vapeur et freine la diffusion de la vapeur d'eau à travers le mur. La température de saturation baisse drastiquement alors que la température du mur continue à baisser lentement - Profil d'humidité dans le mur en %
C'est le même cas que précédemment, mais cette fois cherche à suivre la saturation de l'air. Interprétation : on représente, par la droite bleue, la saturation de l'air en eau à 100%. En noir on représente l'humidité relative de l'air en %. Tant que la courbe noire n'atteint pas la droite bleue, tout se passe bien.
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