Modélisation d’un complexe de toiture intégrant un PMR et une lame d’air ventilé

 L’objectif de ce chapitre est de modéliser un rampant de toiture qui intègre à la fois un PMR à faces peu émissives et deux lames d’air, une ventilée et une autre fermée. Cette modélisation va permettre d’étudier l’impact de différents paramètres physiques et géométriques sur la transmission de flux à travers le complexe et sur le comportement de la lame d’air ventilée ménagée entre les tuiles et le PMR en périodes estivale et hivernale. Pour modéliser un rampant de toiture standard intégrant un PMR, il est nécessaire de décrire dans une première étape la conception et la mise en œuvre des rampants de toiture. Ces derniers sont composés de plusieurs éléments et la mise en œuvre de chacun de ces éléments doit vérifier les conditions imposées par les règles standards européennes. La deuxième partie de ce chapitre est consacrée à la modélisation du comportement du système de toiture en périodes estivale et hivernale par la même méthodologie de découplage et assemblage des phénomènes thermiques utilisée pour développer le modèle thermique de paroi complexe dans le chapitre 4. Des conditions climatiques extrêmes sont considérées (absence de vent en été, prépondérance du vent en hiver). Pour l’étude du système de toiture en période estivale, le facteur climatique intervenant dans la détermination du facteur solaire du système de rampant est le rayonnement solaire. Ce dernier a un impact particulier sur la lame d’air ventilée aménagée sous les tuiles qui, comme présenté au chapitre 3, fonctionne par effet thermosiphon en absence de vent. Afin de construire le modèle thermique correspondant, les corrélations de débit d’air et des échanges convectifs proposées au chapitre 3 sont utilisées. Le coefficient d’échange convectif dans la lame d’air non ventilée étudié au chapitre 2 est également introduit. Après assemblage, le modèle réalisé est validé par un dispositif expérimental. Une étude paramétrique est ensuite effectuée à l’aide du modèle afin de déterminer l’impact de la variation de différents paramètres sur le facteur de transmission solaire du complexe de rampant modélisé. Pour la période hivernale, les facteurs intervenant dans la détermination des performances thermiques du complexe de toiture sont la distribution de pression créée par le vent sur les rampants et la perméabilité des tuiles. Pour cela, dans une première étape, un dispositif expérimental est réalisé afin d’étudier la porosité apparente des tuiles. Des simulations CFD sont ensuite réalisées afin d’étudier la répartition des pressions sur les rampants d’une toiture en fonction de l’intensité et de la direction du vent. Un deuxième modèle numérique est ensuite réalisé. Il est composé du milieu pseudo-poreux représentant les tuiles sur lequel sont imposées les pressions statiques exercées par le vent et de la lame d’air ventilée ménagée en dessous de ce milieu. Ce modèle numérique calcule les débits d’air induits dans la lame d’air ventilée obtenus en fonction de différentes vitesses et directions du vent. Le modèle complet de toiture est ensuite assemblé dans THERMETTE et une étude paramétrique est réalisée pour étudier l’impact de différents paramètres sur les déperditions thermiques du complexe de rampant. Enfin, une conclusion est établie sur l’impact de l’ajout d’un PMR sur les performances thermiques d’un rampant de toiture, en été et en hiver.

Présentation d’une toiture standard

La toiture est constituée généralement d’une charpente en bois composée de pannes et de chevrons sur laquelle est posée une couverture. Les DTU de la série 40 [DTU 40] conseillent la mise en œuvre d’une lame d’air ventilée d’une épaisseur minimale de 2 cm sous les tuiles et d’un écran de sous-toiture fixé sur les chevrons si le support est discontinu ou sur les voliges si le support est continu. L’écran de sous-toiture est formé généralement de feutres bitumés ou de feuilles synthétiques et remplit plusieurs fonctions. En effet, il protège les combles des infiltrations de neige poudreuse, de poussière et de suie et achemine vers l’égout les infiltrations dues à la rupture ou déplacement d’un élément de couverture et celles dues à la condensation. Par ailleurs, l’écran de sous-toiture en équilibrant les pressions empêche les éléments de couverture discontinus (les tuiles par exemple) de se soulever sous l’effet du vent. L’écran de sous-toiture n’est pas un pare-vapeur, il permet à la toiture de respirer afin d’éviter la condensation de la vapeur d’eau provenant de l’intérieur de la maison et maintenir la charpente au sec. Si l’écran de sous-toiture est hautement perméable à la vapeur d’eau (HPV), il peut par suite garantir une évacuation permanente de la vapeur d’eau et peut être posé directement sur l’isolation du rampant (cf. figure 5.1). La pose d’un pare-vapeur sous l’isolant est indispensable pour limiter la pénétration de l’humidité dans la charpente. Par contre, l’humidité qui arrive à passer dans la toiture est évacuée grâce à la lame d’air ventilée conçue entre l’écran et la couverture. Cette lame d’air supérieure a aussi une fonction supplémentaire, celle de limiter la chaleur provenant du rayonnement solaire et d’améliorer ainsi le confort d’été. Figure 5.1 – Schéma d’un rampant de toiture standard Si l’écran est par contre muni de deux faces à propriétés réfléchissantes, il pourra limiter le transfert thermique par rayonnement. La figure 5.2 schématise un écran HPV réflecteur posé avec une lame d’air ventilée supérieure et une lame d’air inférieure non ventilée comme complément d’isolation en hiver. Dans certaines poses et pour augmenter la résistance thermique de la toiture isolée, le PMR est parfois posé avec deux lames d’air adjacentes non ventilées.  Pour les produits réfléchissants étudiés dans ce travail, certains étanches à l’air et à l’eau mais perméables à la vapeur d’eau peuvent remplir la fonction d’écran de sous-toiture. Par contre, les PMR qui sont pour la plupart imperméables à l’humidité sont généralement posés sous les chevrons comme représenté à la figure 5.3. Une lame d’air non ventilée est aménagée entre la membrane d’étanchéité à l’air et le PMR. Pour créer une deuxième lame d’air, un système de fourrure de bois est placé sur le PMR et le parement intérieur est finalement agrafé. Cette mise en œuvre est très courante en réhabilitation des combles perdus. Figure 5.3 – Pose sous les chevrons (vue face aux pannes) Le modèle de rampant modélisé dans ce chapitre est représenté à la figure 5.4. Le PMR est posé en écran de sous-toiture avec une lame d’air non ventilée ménagée en sous-face. En dessous de la couverture, une lame d’air ventilée est construite. Le rampant est isolé avec une certaine épaisseur de laine minérale. Figure 5.4 – Pose en écran de sous toiture sur contre-latte (vue face aux chevrons) Pour une meilleure visualisation, la figure 5.5 représente une coupe longitudinale au niveau du rampant de toiture qui va être modélisé. La coupe coïncide soit au niveau du chevron (à Chapitre 5 Modélisation d’un complexe de toiture intégrant un PMR et une lame d’air ventilée 5 gauche), soit au niveau de l’isolant traditionnel et de la lame d’air inférieure (à droite). La couverture de tuiles est représentée dorénavant par un parement extérieur.