Valeur K, Valeur U, Valeur R, Valeur C

Dans la plupart des applications, la principale caractéristique d’un matériau d’isolation thermique est sa capacité à réduire les échanges de chaleur entre une surface et l’environnement, ou entre une surface et une autre surface. Ceci est connu comme ayant une faible valeur de conductivité thermique. Généralement, plus la conductivité thermique d’un matériau est faible, plus sa capacité à isoler pour une épaisseur de matériau donnée et un ensemble de conditions est grande.

Si c’est vraiment aussi simple, alors pourquoi y a-t-il autant de termes différents, tels que la valeur K, la valeur U, la valeur R et la valeur C? Voici un aperçu avec des définitions relativement simples.

Valeur K

La valeur K est simplement un raccourci pour la conductivité thermique. La norme ASTM C168, sur la terminologie, définit le terme comme suit:

Conductivité thermique, n: le débit de chaleur en régime permanent à travers une unité de surface d’un matériau homogène induit par un gradient de température unitaire dans une direction perpendiculaire à cette unité de surface.

Cette définition n’est vraiment pas si complexe. Regardons de plus près, phrase par phrase.

Le débit de chaleur dans le temps peut être comparé au débit d’eau, par exemple, l’eau s’écoulant à travers une pomme de douche à autant de gallons par minute. C’est la quantité d’énergie, généralement mesurée aux États-Unis en BTU, qui traverse une surface pendant une certaine période de temps, généralement mesurée en heures. Par conséquent, le débit de chaleur dans le temps est exprimé en unités de BTU par heure.

L’état d’équilibre signifie simplement que les conditions sont stables, car l’eau s’écoule d’une pomme de douche à un débit constant.

Un matériau homogène se réfère simplement à un matériau, et non à deux ou trois, qui a une composition cohérente tout au long. En d’autres termes, il n’y a qu’un seul type d’isolation, par opposition à une couche d’un type et une deuxième couche d’un deuxième type. De plus, aux fins de cette discussion, il n’y a pas de goupilles ou de vis de soudure, ni de métal de structure traversant l’isolant; et il n’y a pas d’espaces.

Qu’en est-il à travers une zone unitaire? Il s’agit d’une section transversale standard. Pour le flux de chaleur aux États-Unis, un pied carré est généralement utilisé comme unité de surface. Donc, nous avons des unités en Btu par heure, par pieds carrés de surface (pour visualiser, imaginez l’eau qui coule à un certain nombre de gallons par minute, frappant une planche de 1 pi x 1 pi).

Enfin, il y a la phrase par un gradient de température unitaire. Si deux articles ont la même température et sont réunis pour qu’ils se touchent, aucune chaleur ne s’écoulera de l’un à l’autre car ils ont la même température. Pour avoir un flux de chaleur par conduction d’un objet à un autre, où les deux se touchent, il doit y avoir une différence de température ou un gradient. Dès qu’il y a un gradient de température entre deux objets en contact, la chaleur commence à s’écouler. S’il y a une isolation thermique entre ces deux objets, la chaleur s’écoulera à un taux moindre.

À ce stade, nous avons un débit de chaleur par unité de surface, par différence de température de degré avec des unités de Btu par heure, par pied carré, par degré F.

La conductivité thermique est indépendante de l’épaisseur du matériau. En théorie, chaque tranche d’isolation est la même que sa tranche voisine. Les tranches doivent avoir une épaisseur standard. Aux États-Unis, les unités de pouces sont généralement utilisées pour l’épaisseur de l’isolation thermique. Nous devons donc penser en termes de Btu de flux de chaleur, pour un pouce d’épaisseur de matériau, par heure, par pied carré de surface, par degré F de différence de température.

Après avoir séparé la définition ASTM C168 pour la conductivité thermique, nous avons des unités de Btu-pouce / heure par pied carré par degré F. C’est la même chose que la valeur K du terme.

Valeur C

La valeur C est simplement un raccourci pour la conductance thermique. Pour un type d’isolation thermique, la valeur C dépend de l’épaisseur du matériau; la valeur K ne dépend généralement pas de l’épaisseur (il existe quelques exceptions qui ne sont pas dans le champ d’application de cet article). Comment la norme ASTM C168 définit-elle la conductance thermique ?

Conductance, thermique, n: la vitesse temporelle du flux de chaleur en régime permanent à travers une unité de surface d’un matériau ou d’une construction induite par une différence de température unitaire entre les surfaces du corps.

ASTM C168 donne alors une équation et des unités simples. Dans les unités de pouce-livre utilisées aux États-Unis, ces unités sont des BTU / heure par pied carré par degré F de différence de température.

Les mots sont assez similaires à ceux de la définition de la conductivité thermique. Ce qui manque, ce sont les unités en pouces dans le numérateur car la valeur C pour un panneau isolant de 2 pouces d’épaisseur est la moitié de la valeur que pour le même matériau panneau isolant de 1 pouce d’épaisseur. Plus l’isolation est épaisse, plus sa valeur C est faible.

Équation 1:C-value=K-value /thickness

R-value

Typiquement, ce terme est utilisé pour décrire la cote de performance étiquetée de l’isolation d’un bâtiment que l’on peut acheter dans une cour à bois. Il est utilisé moins fréquemment pour l’isolation mécanique, mais c’est toujours un terme utile à comprendre. Sa désignation officielle est la résistance thermique. Voici comment la norme ASTM C168 la définit :

Résistance, thermique, n: la quantité déterminée par la différence de température, à l’état stationnaire, entre deux surfaces définies d’un matériau ou d’une construction qui induit un flux de chaleur unitaire à travers une surface unitaire.

ASTM C168 fournit alors une équation, suivie d’unités typiques. Dans les unités de pouce-livre, la résistance thermique est mesurée en degrés F fois les pieds carrés de surface fois les heures de temps par Btu de flux de chaleur.

La plupart des gens savent que pour un matériau isolant donné, plus il est épais, plus la valeur R est grande. Par exemple, pour un type particulier de panneau isolant, un panneau de 2 pouces d’épaisseur aura deux fois la valeur R du panneau de 1 pouce d’épaisseur.

Équation 2: Valeur R = 1/Valeur C

Si la valeur C est 0,5, alors la valeur R est 2,0. On peut le calculer à partir de l’équation pour la valeur C dans l’équation 1 ci-dessus:

Équation 3: Valeur R= épaisseur / valeur K

Ainsi, si l’épaisseur est de 1 pouce et que la valeur K est 0,25, alors la valeur R est 1 divisée par 0.25, ou 4 (en laissant les unités pour plus de concision).

Valeur U

Enfin, il existe la valeur U, connue officiellement sous le nom de transmittance thermique. Il s’agit plus d’un terme d’ingénierie utilisé pour désigner les performances thermiques d’un système par opposition à un matériau homogène. La définition de la norme ASTM C168 est la suivante:

Transmittance, thermique, n: transmission de chaleur en unité de temps à travers l’unité de surface d’une construction matérielle et des films d’air limite, induite par la différence de température unitaire entre les environnements de chaque côté.

Il y a quelques nouveaux termes: les films d’air de limite et entre les environnements de chaque côté. Les définitions précédentes ne faisaient pas référence aux environnements.

La meilleure façon d’illustrer la transmittance thermique ou la valeur U est à travers un exemple. Considérez le mur d’une maison isolée typique avec des planches nominales de 2 x 4 (qui mesurent en fait environ 1-1 / 2 pouces x 3-1 / 2 pouces), espacées de 16 pouces au centre, s’étendant verticalement. On pourrait voir un panneau mural en gypse de 3/8 po d’épaisseur à l’intérieur du mur, avec un pare-vapeur en film plastique séparant le panneau mural en gypse des montants en bois. Les lattes de fibre de verre peuvent remplir les espaces de 3-1 / 2 pouces de large entre les 2 x 4 goujons. À l’extérieur des montants, il peut y avoir des panneaux isolants en polystyrène de 1/2 pouce d’épaisseur recouverts d’un revêtement extérieur en bois. Cet exemple ignorera les portes et les fenêtres, ainsi que la valeur K et l’épaisseur de la feuille de plastique utilisée comme pare-vapeur.

Le calcul de la valeur U de la paroi est suffisamment complexe pour sortir du cadre de cet article, mais les valeurs suivantes doivent être connues ou au moins estimées pour que sa transmittance thermique soit calculée: *

• Valeur C du film d’air intérieur
• Valeur K du panneau mural en gypse de 3/8 pouces
• Valeur K des goujons en bois de 3-1 / 2 pouces de large
• Espacement entre les goujons (16 pouces, dans ce cas)
• Valeur K des lattes isolantes en fibre de verre, ainsi que leur épaisseur (3-1 / 2 pouces d’épaisseur)
• Largeur des lattes en fibre de verre (16 pouces moins l’épaisseur de 1-1 / 2 pouces des poteaux en bois = 14-1 /2 pouces)
• Valeur K des panneaux de polystyrène et de leur épaisseur (1/2 pouce)
• Valeur K et épaisseur des matériaux de revêtement en bois
• Valeur C de l’air extérieur film

Plus la valeur U est faible, plus le débit de chaleur est faible pour un ensemble donné de conditions. Un système de mur de bâtiment bien isolé aura une valeur U, ou transmittance thermique, beaucoup plus faible qu’un système non isolé ou mal isolé.

Pour déterminer avec précision la valeur U d’un système d’isolation mécanique, il faut tenir compte du transfert de chaleur à travers l’isolation homogène ainsi que des éventuelles brèches et interstices de dilatation avec un matériau isolant différent. Il y a aussi le film d’air extérieur et parfois un film d’air intérieur.

En réalité, de nombreuses portions non homogènes ne sont généralement pas comptabilisées. Les procédures standard d’essai de conductivité thermique traitent généralement le matériau comme étant homogène. Dans les applications réelles, il y a des joints et parfois des fissures dans les matériaux rigides. Ces incohérences rendent la valeur U plus grande que si l’isolant se comportait comme un matériau homogène.

Les concepts de valeur K, de valeur C, de valeur R et de valeur U peuvent être résumés dans les règles suivantes:

• Plus un système est bien isolé, plus sa valeur U est faible.
• Plus la performance d’une pièce isolante est grande, plus sa valeur R est grande et plus sa valeur C est faible.
• Plus la valeur K d’un matériau isolant particulier est faible, plus sa valeur isolante est élevée pour une épaisseur particulière et un ensemble de conditions donné.

Ce sont les propriétés dont dépendent les utilisateurs de l’isolation thermique pour les économies d’énergie, le contrôle des processus, la protection du personnel et le contrôle de la condensation.

* Les valeurs de tous les éléments ci-dessus se trouvent dans le Manuel de principes fondamentaux de l’ASHRAE, Chapitre 25: « Données de transmission Thermique et de Vapeur d’eau. »Les chapitres 23 à 26 du même manuel ASHRAE traitent également du calcul de la valeur U du mur.