Comment utiliser la masse thermique dans les maisons

L’image la plus simple pour comprendre la notion de masse thermique est une pierre autour d’un rond de feu. La pierre demeure chaude longtemps après la fin du feu car sa haute densité lui confère la capacité d’absorber beaucoup d’énergie et de l’émettre lentement par la suite. Cette propriété, qu’on appelle l’inertie thermique, crée un déphasage (décalage dans le temps) entre l’absorption de l’énergie et sa restitution. Parmi les matières à forte inertie thermique on retrouve principalement: la pierre, l’argile (sous forme de briques, de céramique ou de terre compactée), le béton, le verre sous forme de bloc épais et l’eau. Les bois francs ont aussi une assez bonne inertie thermique.

Avec la construction de maisons plus efficaces en conservation d’énergie il est de plus en plus nécessaire d’ajouter de la masse thermique pour réduire la surchauffe occasionnée par le soleil. Une bonne utilisation de la masse thermique permet aussi de maximiser l’utilisation de l’énergie solaire thermique, qu’elle soit sous forme passive pénétrant au travers des vitrages ou active en chauffant un capteur (ou « panneau »). On peut emmagasiner les calories solaires soit dans les éléments de construction, soit dans un réservoir énergétique spécifique d’eau, de pierres ou de béton. Le stockage solaire thermique permet aussi de réduire la puissance des équipements de chauffage traditionnels. Ceci permet d’économiser sur le coût des équipements et sur leur efficacité énergétique car les systèmes de chauffage plus puissants subissent des pertes d’efficacité en démarrant et en s’éteignant plus souvent.

Voici un tour d’horizon des usages bénéfiques de la masse thermique et des erreurs de conception à éviter.

Le confort et les économies d’énergie

Déboulonnons d’abord deux mythes qui circulent sur la masse thermique : l’ajout de masse n’ajoute pas nécessairement du confort ou des économies d’énergies.

Le confort. Un plancher de béton, de pierre ou de céramique dont la température est de 20 ºC est moins confortable pour les pieds nus qu’un plancher de bois de même température car les minéraux ne se réchauffent pas aussi rapidement au contact des pieds. Pour être vraiment confortable, un plancher de béton doit être plus chaud que l’air ambiant. Pour ce faire, il doit être exposé à une énergie radiante comme celle du soleil, d’un feu, d’un câble chauffant ou de l’eau chaude circulant dans sa masse. Ceci dit, si vous ne marchez pas pieds nus sur le plancher, un plancher de béton ou de céramique à 20’C n’est pas « inconfortable ».

L’économie d’énergie. Pour générer des économies, la masse thermique doit permettre de remplacer une source de chauffage en profitant d’une source gratuite ou à plus faible coût, comme l’énergie solaire ou les surplus de chaleur provenant d’un chauffage au bois. Il n’y a aucune économie à faire en ajoutant de la masse thermique dans un immeuble chauffé uniquement par des convecteurs électriques car elle ne fait que différer dans le temps l’utilisation de l’électricité sans réduire les besoins. Après tout, la masse ne produit pas de chaleur et elle ne réduit pas les pertes par l’enveloppe du bâtiment! Dans un tel cas, le stockage d’énergie vise essentiellement à maintenir la résidence à une température hors gel durant quelques jours en cas de panne de courant.
Cependant, dans un contexte où l’électricité serait moins chère à l’extérieur des pics de la demande (matin et heure du souper), comme c’est le cas en Europe, on pourrait chauffer la masse thermique d’un immeuble durant les périodes hors pointe pour bénéficier d’une réduction des coûts de chauffage.

Chauffage solaire passif

Les maisons qui bénéficient d’un bon ensoleillement du côté sud peuvent avoir un problème de surchauffe importante durant l’après-midi, même en hiver. La présence de masse thermique dans les maisons solaires passives peut réduire cette surchauffe (sans l’éliminer complètement) et restituer la chaleur durant la soirée et même la nuit si les masses sont importantes. Par contre, si le principe est simple, son application s’avère difficile si on veut optimiser l’apport solaire sans créer de surchauffe importante. En effet, ce sont surtout les matériaux touchés directement par le rayonnement solaire qui absorbent rapidement cette énergie et qui réduisent la surchauffe. Tous les matériaux, y compris les matériaux à forte masse thermique, sont lents à absorber le surplus de chaleur présent dans l’air. La température de la maison peut monter à un niveau inconfortable avant que la masse thermique commence à se réchauffer.

L’absorption de l’énergie par la masse

L’absorption de l’énergie et son stockage dans une masse thermique peut se faire de trois façons : par le rayonnement direct, par le contact de l’air ou par conduction (par exemple lorsqu'un conduit d'eau chaude circule dans la masse thermique).

L’absorption du rayonnement direct se produit lorsque le rayonnement solaire ou de tout autre chauffage radiant frappe la surface d’un matériau. La couleur et la texture du matériau aura alors une forte incidence sur l’absorption d’énergie : les surfaces foncées, mattes et granuleuses sont les plus efficaces pour absorber la chaleur. Cette forme d’absorption est nettement la plus rapide et la plus efficace pour réduire la surchauffe. En architecture solaire passive, on l’utilise par le biais de murs épais en pierres, de dalles de plancher en béton, de réservoirs d’eau et de planchers de céramiques ou de bois francs qui couvrent de grandes surfaces ensoleillées. En général, elle vise à restituer l’énergie dans les deux à quatre heures suivant la perte de soleil.



L’absorption au contact de l’air peut être relativement rapide lorsque la surface des matériaux a une bonne conductivité à la chaleur, mais elle ne peut se faire que lorsque la température de l'air est plus élevée que la température de surface de la masse thermique (qu’après l’augmentation importante de la température de l’air). Elle est tout de même très importante car elle représente toutes les superficies des murs, plafonds, planchers et meubles de l’immeuble. Dans une maison solaire passive, l’air surchauffé dans les pièces du côté sud peut être redistribué dans les pièces nord ou dans les pièces du sous-sol à l’aide d’un ventilateur local ou central (tel celui d'un VRC ou du système de chauffage à air pulsé) qui fonctionne en permanence.
La restitution de l’énergie captée au contact de l’air se fait en sens inverse lorsque la température de l’air descend sous la température de la masse thermique. Il est nécessaire d’avoir un écart de 3 à 4’C entre la température du jour et de la nuit pour que ce processus fonctionne bien.
Comme revêtement, on doit utiliser un matériau pouvant à la fois absorber rapidement et retenir l’énergie, comme les tuiles minces de pierres calcaires, de granite, de céramique ainsi que les crépis de ciment ou de terre argileuse. Les plaques de plâtre (panneaux de gypse) standard étant recouvertes d’un carton isolant sont moins efficaces à cet effet. Cependant, on peut les remplacer par des panneaux plus lourds, tels ceux de marque Fiberock de CGC. Ce panneau de gypse très dense et très résistant aux éraflures n’a aucun papier en surface. Recouvert d’un mince stucco cimentaire de finition, il peut absorber rapidement l’énergie solaire et la retenir au moins jusqu’à l’heure du souper grâce à sa bonne inertie thermique.

L’absorption par conduction à l'aide de tuyaux d'eau chaude est la façon active d’utiliser la masse thermique. Elle permet de conserver l’énergie sur une plus longue période car la chaleur est emmagasinée au cœur du matériau. L’eau peut être chauffée par le soleil mais aussi par d’autres sources énergétiques comme le bois ou la géothermie.

Règles simples pour les maisons solaires passives

Concepteur de maisons solaires passives depuis 25 ans, l’ingénieur Luc Muyldermans est un pionnier au Québec dans ce domaine. Il suggère quelques règles simples à suivre :
1. Dans une maison solaire passive, utiliser un système de chauffage ou de ventilation mécanique pouvant faire recirculer l’air dans toutes les pièces de la maison afin de répartir les gains thermiques.
2. Si la maison a une faible masse thermique, la superficie de fenêtres situées au sud ne devrait pas excéder 5% de la superficie de plancher habitable de l’ensemble de la maison.
3. Si la maison a une forte masse thermique, la superficie de fenêtres situées au sud peut être de 8 à 10% de la superficie totale de plancher.
4. Dans une maison à forte masse thermique il est préférable de répartir la masse sur une plus grande surface afin d’augmenter sa capacité d’absorption thermique tant par le rayonnement direct que par le contact de l’air.
5. Dans tous les cas, il faut prévoir des pare-soleil extérieurs suffisants pour ombrager le vitrage au printemps et à l’automne, sinon une surchauffe est inévitable.

Parmi ses pratiques de construction préférées, M. Muyldermans recommande souvent l’utilisation d’une mince dalle de béton (1,5 po) coulée sur le contreplaqué du plancher. Contrairement à ce qu’on pourrait croire, plutôt que de l’affaiblir, cette chape de béton augmente la rigidité du plancher ainsi que sa portée car le béton colle au contreplaqué et participe à sa résistance structurale. La chape ajoute une masse thermique intéressante tout en insonorisant le plancher. Cette pratique est relativement peu coûteuse, elle demande seulement à renforcer les solives près de leurs points d’appuis pour compenser la surcharge de poids.

Mur Trombe

Le mur Trombe fait partie du folklore de l’énergie solaire passive depuis plus de 30 ans. Une étude exhaustive de la Société canadienne d’hypothèques et de logement (SCHL) a conclu récemment qu’il n’est pas viable pour notre climat froid et nordique. Sommairement, le principe du mur Trombe consiste à utiliser toute la superficie du mur sud de vitrage : la moitié est utilisée pour l’ensoleillement direct et l’autre 50 % chauffe un mur épais de masse thermique situé à quelques centimètres du vitrage. Durant la journée, l’ensoleillement direct suffit au chauffage des lieux et durant la nuit suivante, le mur Trombe émet sa chaleur vers la maison par radiation (mur Trombe passif) ou par réchauffement de l’air assisté par un ventilateur (mur Trombe hybride).

L’inefficacité du mur Trombe au Canada s’explique principalement par le fait que les nuits sont très froides. Comme le chaud migre toujours vers le froid, la masse thermique émet davantage de chaleur vers l’extérieur que dans des climats plus tempérés. À Montréal, le bilan annuel d’un mur Trombe dans une maison à haute efficacité énergétique est pratiquement nul et il représente un coût de construction très élevé. Ces piètres résultats ont été obtenus malgré l’utilisation d’un vitrage extrêmement isolant et d’une masse thermique optimisée pour l’absorption énergétique.

Cependant, le principe du mur Trombe pourrait refaire surface dans quelques années avec des verres encore plus efficaces et l’usage d’un isolant amovible inséré entre le verre et le mur Trombe durant la nuit.

Le stockage thermique actif

Aujourd’hui, l’utilisation de la masse thermique se fait davantage avec des systèmes actifs utilisant différentes sources de chauffage : solaire thermique, bois et biomasse, géothermie, mazout, gaz, etc. Dans presque tous les cas, on transfère l’énergie de la source de chauffage à un mélange eau/chlore ou eau/glycol qu’on fait ensuite circuler dans des tuyaux de plastique insérés dans une dalle de béton. Ce chauffage devient un plancher radiant à basse température, variant de 24 à 28 ºC en surface. L’eau est accumulée dans un réservoir plus ou moins grand en fonction de la nature de la source de chaleur et des besoins énergétiques de l’immeuble. Dans ce type de système de chauffage il peut y avoir deux masses thermiques : la masse du réservoir d’eau et la masse de béton.

En général, le stockage thermique a avantage à être de très grand format. Les capteurs solaires thermiques et les « fournaises » bois/biomasse peuvent monter la température de l’eau à 100 ºC. Un réservoir de petit format surchaufferait rapidement et rendrait l’absorption moins efficace car le transfert énergétique au liquide est plus efficace lorsque celui-ci est à basse température.

Pour la géothermie, le fait d’avoir un grand réservoir énergétique permet de réduire la puissance de l’équipement, la profondeur des puits ainsi que leur coût initial. L’appareil fourni la même quantité d’énergie annuellement mais il est plus souvent en fonction.

Pour les combustibles comme le mazout et le gaz, un système de plus faible capacité permet d’augmenter l’efficacité de combustion, réduisant les rejets atmosphériques et les coûts énergétiques. Eau/chlore vs eau/glycol. Le mélange eau/glycol est un antigel utilisé comme caloporteur dans les capteurs solaires. Comme le glycol est très coûteux il est préférable dans ce cas de réduire la grosseur du réservoir eau/glycol et d’augmenter l’épaisseur de la dalle de béton. M. Jean Pelletier de Sol Air Québec recommande des dalles de 8 à 12 pouces d’épaisseur où les tuyaux sont installés dans le bas de la dalle pour déphaser l’apport solaire au maximum. Lorsque le caloporteur n’est pas sujet au gel, un réservoir d’eau chlorée est moins coûteux.

Combiner le solaire passif et actif?

En général, il est difficile d’utiliser la masse thermique de manière passive et active dans la même pièce sans avoir un système de contrôle informatique très sophistiqué. Par exemple, une dalle de béton déjà chauffée à 24 ºC avec un système actif absorbera moins le rayonnement solaire passif (rayons solaires traversant un vitrage). De même, une surface de mur déjà chauffée à 22 ºC par la radiation d’un plancher radiant absorbera moins l’énergie de l’air ambiant.



Ceci dit, pour sa maison autonome d’Alstonvale, près de Hudson en banlieue ouest de Montréal, l’architecte Sevag Pogharian a combiné le solaire passif et actif de manière très sophistiquée en faisant appel à un contrôle informatisé et des technologies de pointe. Il utilise des masses thermiques solide et liquide dont la distribution de l’énergie dans le temps est gérée par un système informatisé qui tient compte des prévisions météorologiques. Ainsi, l’énergie stockée dans le réservoir de chauffage actif chauffe la maison surtout durant les jours nuageux alors qu’il n’y a pas de chauffage solaire passif.

La combinaison du solaire passif et actif, de contrôles informatisés et de différentes formes de masse thermique vise ici l’autonomie énergétique et non pas la rentabilité à court terme.

Technologies et masses thermiques

Les matériaux à changement de phase. Lors d’un changement de phase de solide à liquide, les matériaux tel l’eau et la cire absorbent énormément d’énergie sur une courte période de temps et à une température précise. En 2007, la compagnie DuPont a lancé en Europe un panneau de copolymère de 5 mm d’épaisseur rempli à 60 % de paraffine encapsulée pouvant passer de la phase solide à liquide à une température précise de 22 ºC. Lorsque la température du panneau atteint 22 ºC, le panneau Energain absorbe 20 fois plus d’énergie que son équivalent en béton. Lorsque sa température descend à 18 ºC, la paraffine se solidifie et restitue l’énergie emmagasinée. Ces panneaux sont conçus pour être installés derrière les plaques de plâtre. L’utilisation la plus simple de ces panneaux serait de prévenir la surchauffe en maintenant la température à 20 ºC durant le jour et de laisser tomber la température sous 18 ºC pendant la nuit pour récupérer la chaleur. Malheureusement, aucun fabricant nord-américain n’a encore commercialisé de tels panneaux à changement de phase et ce, malgré des études effectuées pendant des années notamment à Montréal par le Dr Jean Paris de l’École Polytechnique et le Dr Dorel Feldman de l’Université Concordia.

Les tubes d’eau solaires. L’eau a une inertie thermique plus élevée que la pierre et le béton. L’absorption du rayonnement solaire est aussi beaucoup plus rapidement transmise à l’ensemble de la masse d’eau, évitant la surchauffe de surface comme c’est le cas avec les matériaux solides. Un mur d’eau se réchauffera donc plus lentement et plus uniformément, et restituera son énergie sur une plus longue période que les murs de béton ou de pierre.

Fabriqués aux Etats-Unis, les tubes d’eau Sun-Lite représentent un bon moyen d’absorber l’énergie solaire passive tout en créant des éléments architecturaux inusités. Ils viennent en diamètres de 30 à 45cm (12 à 18 pouces) et en hauteurs de 1,2 à 3m (4 à 10 pieds) contenant de 96 à 528 litres (23-132 gals). Pour maximiser leur efficacité, ces tubes d’eau doivent être exposés au soleil et leur eau doit être teintée en bleu ou en vert pour qu’elle absorbe davantage d’énergie. Cependant, comme l’eau est exposée à la lumière, elle doit être traitée avec des algicides et du chlore et doit être changée à tous les 7 ans environ.

En conclusion

L’usage de la masse thermique est essentiel pour réduire la surchauffe lorsqu’il y a un décalage entre l'apport d’énergie (solaire ou autre) et les besoins de chauffage de la maison.
Pour le chauffage solaire passif, l’usage d’une chape mince de béton sur les planchers de bois des étages contribue à peu de frais à une bonne absorption de l’énergie solaire.
Pour le chauffage actif, l’installation de tubulures de plastique dans les dalles de béton sur sol permet de bénéficier à peu de frais des avantages de la masse thermique, mais seulement si on peut les combiner à des sources énergétiques économiques.