Le matériau isolant appliqué sur les éléments d’une installation est là pour limiter les échanges thermiques avec le milieu ambiant.

Il peut être appliqué dans le but exclusif de protéger l’installation contre les risques de condensation.

Mais en règle générale, le système de calorifuge résulte d’un compromis répondant aux contraintes liées à l’installation thermique, acoustique, risque d’incendie.

Dans tous les cas, et plus particulièrement pour des installations fonctionnant aux températures inférieures à la température ambiante, le comportement du système de calorifuge et du matériau isolant au transfert de la vapeur d’eau est une donnée à prendre en compte.

Introduction

Qui ne s’est jamais plaint des isolants qui quelques temps après leur mise en œuvre étaient « gorgés d’eau »

Les explications qui suivent sont destinées à familiariser le lecteur avec les phénomènes de condensation et de diffusion de la vapeur d’eau à travers l’isolant, les raisons techniques qui sont à l’origine de tels phénomènes et pour lesquels trop souvent on ne cherche pas à se prémunir.

Pour la parfaite compréhension de ces explications, nous vous donnerons des définitions des différents phénomènes physiques que nous rencontrerons et nous ne pourrons éviter quelques formules mathématiques qui, dans la mesure du possible, seront directement liées aux problèmes pratiques.

L’anti-condensation

La vapeur d’eau condense sur une surface lorsque la température de cette surface est inférieure à la température de saturation (température de rosée) de l’air environnant.

Nous avons tous déjà constaté des phénomènes de condensation : gouttelettes de condensation sur les murs d’une salle de bain ou d’une cuisine, sur un seau à champagne rempli de glace …etc.

Les installations de réfrigération ou de climatisation, réunissent les conditions de température et d’hygrométrie qui favorisent de tel phénomènes, le rôle de l’isolant consiste en fait à les supprimer en utilisant des matériaux de natures et d’épaisseurs appropriées.

Il faut savoir que l’air est un mélange gazeux, dont l’un des composant est de la vapeur d’eau. Cette quantité de vapeur d’eau ne peut dépasser un maximum appelé limite de saturation.

Plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau. C’est ainsi que, par exemple, l’air à 20°C peut contenir un maximum de 17,3 gr de vapeur d’eau par mètre cube, alors qu’à 0°C le maximum de vapeur d’eau et de 4,8 gr.

Le rapport du poids de vapeur d’eau réellement contenue dans l’air, au poids qu’il pourrait contenir s’il était saturé est appelé « HUMIDITE RELATIVE ».

Ainsi une humidité relative (H.R.) de 89% à une température de 20°C signifie que l’air contient 15,4 gr de vapeur d’eau par mètre cube et qu’il n’est pas saturé.

\(\frac{17.9 \times 89}{100}\)

Supposons qu’un brusque refroidissement abaisse la température ambiante de 2°C, à cette nouvelle température de 18°C, l’air peut contenir, au maximum, 15,4 gr de vapeur d’eau par mètre cube. La quantité réelle de vapeur d’eau reste évidemment inchangé, nous avons une humidité relative de :

\(HR = \frac{15.4}{15.4} \times 100 = 100%\)

Nous sommes donc arrivés à la température de saturation. A ce stade deux phénomènes peuvent entrainer des problèmes de condensation :

  1. Un apport supplémentaire de vapeur d’eau ;
  2. Une baisse aussi légère soit-elle de la température.

Pour éviter la condensation il faut donc connaitre le point de rosée, afin de déterminer par le calcul l’épaisseur minimale d’isolant qui permettra d’éviter la formation de condensation de surface.

Pour déterminer cette épaisseur plusieurs paramètres sont nécessaires :

  • La conductivité thermique de l’isolant ;
  • Le coefficient de convection thermique ;
  • Le coefficient d’échange superficiel externe ;
  • Les conditions de température et d’hygrométrie ambiante maximum ainsi que les conditions de température et d’hygrométrie moyenne ;
  • La température du fluide véhiculé.

Les formules permettant de déterminer les épaisseurs anti-condensation sont les suivantes

  • Pour les surfaces planes :

\(e= \frac{tr-ti}{ta-tr} . \frac{ \lambda }{he} \)

Avec :

e = épaisseur minimale d’isolant permettant d’éviter la formation de condensation de surface ;

ta = température ambiante ;

ti = température du fluide véhiculé ;

tr = température de rosée ;

he = coeficient d’échange superficiel externe ;

λ = coeficient de conductivité thermique de l’isolant en fonction de la température moyenne.

  • Pour les canalisations :

Avec :

d= diamètre extérieur de la canalisation non isolée.

Ces formules permettent de calculer relativement facilement l’épaisseur minimale permettant d’éviter la formation de condensation, toutefois dans certains cas, des explications complémentaires seront nécessaires.

La température de rosée

La température de rosée se calcule à partir de la température ambiante et de l’humidité relative correspondante.

De nombreux instruments de mesure permettent par simple lecture directe de connaitre ces deux données. La température de rosée est alors déterminée facilement.

Prenons par exemple une température ambiante de 20°C et une humidité relative de 70%, dans ces conditions la température de rosée est de 14,4°C. Plus l’humidité relative est importante, plus la température de rosée est proche de la température ambiante, c’est ainsi que, par exemple, pour une H.R. de 80% et une température ambiante de 20°C, la température de rosée est de 16,4°C, alors qu’à la même température mais pour une H.R. de 90% la température de rosée est de 18,3°C.

Coefficient d’échange superficiel externe (he)

Le coefficient he représente en fait la conductivité thermique de la couche d’air en surface de l’isolant, c’est pas conséquent la somme du coefficient de rayonnement (hr) et du coefficient de convection (hc)

\(he=hr+hc\)

En examinant les formules permettant de déterminer l’épaisseur anti-condensation, on s’aperçoit que plus la valeur de he est faible, plus l’épaisseur anti-condensation calculée sera élevée.

Par conséquent du point de vue économique la connaissance la plus exacte du he est indispensable lorsque l’on veut déterminer l’épaisseur minimale de l’isolant qui empêchera la formation de condensation de surface.

Pour le « corps noir » qui absorbe intégralement toute l’énergie rayonnante qu’il reçoit, hr est égale à environ 5,3 W/m°C. Cette valeur représente donc la maximum que l’on peut utiliser pour hr.

En fait   « a » étant le coefficient de température et « c » le coefficient de radiation. La valeur de « c » peut être mesurée sur chaque isolant en fonction de sa nature, et chaque fabricant doit être en mesure de donner la valeur propre à son isolant.

En ce qui concerne la détermination du coefficient de convection, la formule utilisée pour les canalisations est la suivante :

Avec :

tse : température de surface ;

ta : température ambiante ;

d : diamètre extérieure de la canalisation

e : épaisseur d’isolant.

Ces équations peuvent être utilisées s’il n’y a aucun phénomène de convection environnant. Or, en pratique, cela est rarement le cas, par conséquent, « he » sera calculé à partir de la formule suivante :

                Avec V = vitesse de l’air en m/s

Pour la vitesse de l’air de 0,5 à 1 m/s et un coefficient de rayonnement de 5 W/m²°C, les isolants de couleur noire ont une valeur de « he » au moins égale à 9 W/m°C.

Bien entendu, lorsque des revêtements métalliques, ou des enduits de couleur claires, sont utilisés pour recouvrir l’isolant, de nouvelles valeurs de he devront être déterminées en utilisant un facteur « c » inférieur.

Il est donc important de calculer la valeur de « he » la plus précise possible

 

Le processus de la diffusion de la vapeur d’eau

Comme nous l’avons indiqué précédemment, le rôle de l’isolant, sur les installations consiste à réduire les déperditions d’une canalisation ou d’une surface plane dont la température est inférieure à la température ambiante ; l’isolant doit posséder une épaisseur telle que la température de surface soit supérieure à la température de rosée afin d’éviter la formation de condensation de surface.

Il faut savoir cependant que pour des matériaux ayant le même (λ) l’épaisseur anti-condensation, calculée à partir des formules citées précédemment, sera le même quelle que soit la nature de l’isolant. Par conséquent, on comprend parfaitement qu’il est impossible de se limiter à un seul calcul et qu’un deuxième paramètre important doit être pris en compte : le coefficient de perméabilité à la vapeur d’eau (symbolisé par la lettre  ).

Comme vous le savez, la vapeur d’eau qui diffuse à travers l’isolant provoque une augmentation du coefficient du conductivité thermique et par conséquent une augmentation des déperditions.

Sur les installations dont la température intérieure est inférieure à 0°C on peut dans certains cas, constater la formation de glace, voire même l’apparition de corrosion.

Le coefficient de perméabilité à la vapeur d’eau permet de connaitre la quantité de vapeur d’eau qui diffuse par unité de temps et de différence partielle de pression à travers les faces opposées d’un cube d’un mètre d’arête.

On trouve dans la littérature des unités différentes.

Les résultats obtenus peuvent s’exprimer soit en termes de perméabilité à la vapeur d’eau soit en termes de perméance qui prend en compte l’épaisseur d’isolant testée .

Suivant les conditions de test choisies, il faut savoir que les résultats de perméabilité à la vapeur d’eau ou de perméance obtenus, ne sont pas forcément identiques car ils dépendent tous deux, dans une certaine mesure, de la différence de pression partielle utilisé lors de l’essai.

Si, par exemple, nous avons un isolant hygroscopique, le résultat dépendra de l’humidité absolue utilisée lors du test.

En ce qui concerne les isolants élastomériques à structure cellulaire fermée, il est, en règle générale, possible de négliger l’hygrocospie.

Si l’on veut comparer les différents isolants entre eux et évaluer l’importance du phénomène de diffusion de la vapeur d’eau, il faut, pour le moins, connaitre leurs valeurs de perméabilité à la vapeur d’eau.

Cependant cette valeur n’est pas toujours suffisamment explicite et il est souvent préférable d’utiliser le facteur de résistance à la diffusion de vapeur d’eau (µ).

Le facteur de résistance à la vapeur d’eau

On définit le facteur de résistance à la diffusion de la vapeur d’eau comme le rapport de la perméabilité de l’air à sa propre perméabilité.

Pour les températures et les conditions de pressions courantes, on peut prendre pour la perméabilité de l’air 0,09 g m h mm Hg.

\( \mu = \frac{0.09}{x}\)

C’est un facteur sans dimension.

Il représente combien de fois la perméabilité à la vapeur d’eau de l’isolant est supérieure à celle de l’air.

Le coefficient de perméabilité à la vapeur d’eau permet quant à lui de quantifier la vapeur d’eau qui traverse un matériau (un isolant) dans des conditions de laboratoire, c’est-à-dire :

  • Quand la diffusion s’effectue dans une atmosphère stable ;
  • Quand la température est constante ;
  • Quand l’humidité relative est fixe .

En fait en pratique, l’isolant est utilisé dans des conditions de températures qui varient constamment.

La différence de pression partielle et donc le courant de diffusion de la vapeur est en fait directement lié à la différence entre la température du fluide véhiculé et la température ambiante ainsi qu’a son humidité relative.

C’est un processus dynamique, l’absorption d’eau et donc le phénomène de condensation dans l’isolant se traduit par une modification du coefficient de conductivité thermique et, par conséquence du gradient de température dans l’isolant.

En pratique donc, contrairement aux conditions de laboratoire, le processus de diffusion dépend des critères suivants :

  • Des différences de pressions partielles existant entre les températures de fluide, la température ambiante et l’humidité relative.
  • Des variations des conditions de température et d’humidité relative ambiantes.

Ces variations annuelles et même journalières ont un effet direct sur le courant de diffusion.

La différence entre la valeur du courant de diffusion lors de l’essai et celle obtenue sur chantier peut être considérable.

Aussi il n’est pas possible d’utiliser le courant de diffusion de la vapeur d’eau obtenue en laboratoire et de transférer le résultat à une application pratique.

Conclusion :

Avec des isolants possédant un facteur µ relativement bas, plusieurs couches d’isolant ou une seule couche mais plus épaisse devra être mis en œuvre.

Les spécifications internationales et/ou DTU pour la France requiert la mise en place d’une barrière pare-vapeur pour les installations ayant une température de fluide véhiculé inférieure à celle de la température ambiante, pour les isolants à structure cellulaire rigide et les laines minérales.

Mise en garde :

La seule connaissance des excellentes caractéristiques techniques du matériau n’est pas suffisante pour être sûr de choisir le bon isolant. Il faut également, prendre en compte la « faisabilité » du système proposé.

A quoi sert un isolant possédant d’excellentes caractéristiques techniques si les joints ne sont pas étanches ?

Les isolants dont la mise en œuvre est réalisée par collage et/ou enduction de mastic (tuyauteries droites, coudes, supports, piquages, vannes…) présentent de ce fait un avantage. Dans ce cas l’enduction est l’élément déterminant pour la fiabilité du système.

Naturellement, lors de l’utilisation de ces produits, il est important de vérifier d’une part, les faibles tolérances de fabrication des isolants, d’autre part la constance au niveau de la qualité.

Lorsque, par exemple, l’on utilise pour la réalisation d’un pare-vapeur, un système type « technifilm » (feuille d’aluminium/PET), nous obtenons en théorie l’étanchéité à la vapeur d’eau. Pourtant en pratique ce n’est pas si facile, sans parler des faiblesses au droit des recouvrements, des possibles contractions différentielle avec certaines mousses rigides par rapport aux subjectiles.

Ceci est particulièrement vrai sur les parties de l’installation qui présentent des formes complexes. L’adjonction d’un enduit armé d’une toile imputrescible fiabilise le système en le rendant « monolithique ».

L’enduit pare-vapeur restant une solution « historique » et fiable.

Naturellement il n’a pas été possible dans cet article d’indiquer la quantité de vapeur d’eau qui pourrait diffuser à travers l’isolant, ni d’expliquer que des calculs sont possibles en tenant compte de la variation du coefficient de conductivité thermique de l’isolant en fonction de l’absorption d’eau.

Tous ces sujets seront donc à traités lors de prochains articles.