Le puits climatique. Principe et conditions d utilisation. Dossier de veille réalisé par Energie Information services

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1 Principe et conditions d utilisation Dossier de veille réalisé par Energie Information services

2 Le puits climatique Principe et conditions d utilisation 1) Principe et composants Le puits climatique est encore appelé : puits canadien, puits provençal, ventilation géothermique, etc. Le principe fondamental est de récupérer de la chaleur ou de la fraîcheur dans le sol, suivant la saison, pour la transférer dans la maison ou dans le bâtiment, au moyen d un simple «passage» d air (ou d eau) dans le sol. L appellation «puits canadien» fait plutôt référence à un préchauffage de l air en hiver (climat froid) tandis que l appellation «puits provençal» fait plutôt référence à un rafraîchissement de l air en été (climat chaud). Les appellations «puits climatique» ou «ventilation géothermique» sont plus générales, sans référence au préchauffage ou au rafraîchissement. Il s agit, à la base, d une récupération «douce» et peu consommatrice d énergie mécanique, à distinguer d un transfert de type thermodynamique mettant en œuvre des dispositifs plus consommateurs d énergie mais en contrepartie plus «puissants» en terme d énergie restituée, en chaud ou en froid, par rapport à un puits climatique. Le puits climatique permet de préchauffer ou rafraîchir l air introduit dans la maison ou le bâtiment. Ce dossier s intéresse prioritairement au puits climatique à «air», qui est le plus courant, et qui est plus simple dans sa conception que le puits climatique «à eau». Il s intéresse également prioritairement aux applications en maison individuelles, qui sont les plus standardisées et les plus «bornées» (cf. 2). En tertiaire, les possibilités et les configurations sont a priori plus variées, on peut moins facilement en tirer des enseignements généraux. Energie Information Services Energie Information Services (EIS) est une entreprise, créée en 2009, par trois bureaux d études spécialisés dans le secteur de l énergie et du bâtiment : Allie Air, Alphéeis et Pierre Barles Consultant. EIS a pour objectif de promouvoir les solutions performantes d'ʹun point de vue énergétique et sanitaire dans le secteur du bâtiment. Sa mission est la fourniture de services de collecte, de diffusion d information et de veille sur les aspects innovants du bâtiment et des équipements. Energie Information services développe également des activités de formation Pierre Nolay Gérant Le schéma ci- dessous illustre le principe du puits climatique : 1) Principe et composants 1

3 (Source : CETIAT cf. Documents de référence) Ce schéma simple permet de situer les quatre composants essentiels du puits climatique : Une prise d air neuf, Un conduit d air enterré dans le sol, Une évacuation des condensats, Un ventilateur pour véhiculer l air. Etant donné que le puits climatique apporte de l air neuf (air extérieur) dans le bâtiment, il faut adapter son débit en saison de chauffe au débit d air neuf nécessaire (débit hygiénique) et il faut aussi extraire, été comme hiver, la même quantité d air (air vicié) du bâtiment, pour ne pas mettre le bâtiment en pression. Dès lors, on comprend que ce dispositif est généralement couplé au système de ventilation, a priori double flux, de la maison ou du bâtiment. C est la forme d application la plus courante rencontrée aujourd hui. (Source : CETIAT cf. Documents de référence) 1) Principe et composants 2

4 Avant de faire le point sur la performance et le dimensionnement du puits climatique, il est important de souligner un autre principe de base de ce système (qui apparaît sur le schéma ci- dessus) : suivant la température extérieure, en mi- saison pour nos climats tempérés (température extérieure comprise entre 10 et 20 C environ), il vaut mieux ne pas utiliser le puits climatique car on risque de refroidir inutilement le bâtiment ; il faut alors établir un by- pass, régulé en fonction de la température extérieure. C est bien un autre composant essentiel du puits climatique. 2) Fonctionnement et performances A priori, le puits climatique absorbe peu d énergie électrique (ventilateur) par rapport à l énergie thermique (en chaud ou en froid) qu il permet de récupérer. Certains disent que «le puits climatique récupère dix fois plus d énergie qu il n en consomme». Mais étant donné qu il consomme peu, cela signifie aussi qu il récupère peu Dans une application courante en maison individuelle, on risque d être assez vite limité en termes de récupération du fait qu on est limité en débit d air. Le puits climatique étant généralement couplé au système de ventilation double flux de la maison, il n est pas question d augmenter exagérément les débits d air en période hivernale (pour des raisons évidentes de consommation d énergie de chauffage), tandis que la centrale ne permettra pas non plus d augmenter fortement les débits d air en été (ce que l on recherchera toutefois en période chaude). Finalement, le système est «borné», si l on fait abstraction de la nature du sol, qui est un autre paramètre à ne pas négliger. En effet, la conductivité thermique du sol peut fortement varier d un site à l autre en fonction de la nature du sol et pour un même site, elle peut varier suivant la teneur en eau, donc éventuellement suivant la saison ou la pluviométrie locale. Ainsi, les capacités de récupération peuvent varier du simple au double, voire plus suivant les sols et les saisons. Par exemple, un sol argilo- sableux humide sera bien plus favorable qu un sol sablonneux sec. Les «bornes» du puits climatique en maison individuelle sont approximativement les suivantes, compte tenu des paramètres en jeu tels que l encombrement, l efficacité d échange, les débits d air possibles ou optimums, la profondeur d enfouissement, le coût : Une longueur totale de conduit de l ordre de 30 à 50 m ; Un diamètre de conduit de l ordre de 200 mm ; Une profondeur d enfouissement de l ordre de 1,5 à 3 m ; Une vitesse d air de l ordre de 2 m/s (environ 1 m/s en hiver et 3 m/s en été) ; ce qui se traduit par un débit d air de l ordre de 200 m 3 /h (environ 300 m 3 /h en été et 100 m 3 /h en hiver valeur minimale compatible avec le débit minimum hygiénique en maison individuelle). La température du sol, à une profondeur de l ordre de 2 m, en France métropolitaine, varie d environ 10 à 18 C suivant la saison. En termes de températures d air en sortie de puits, on peut retenir les ordres de grandeurs suivants : En hiver, typiquement, l air passe de - 10 C en entrée à 0 en sortie ; 2) Fonctionnement et performances 3

5 En été, typiquement, l air passe de 30 C en entrée à 20 C en sortie. Les simulations et retours d expériences permettent de donner l orientation suivante, assez «limitative» mais réaliste : en climat méditerranéen : le puits climatique est intéressant en été (rafraîchissement) et peu intéressant en hiver ; c est assez logique, c est le puits provençal ; en climat continental : le puits climatique est intéressant en hiver (préchauffage) et peu intéressant en été ; c est assez logique, c est le puits canadien. Et lorsque le puits climatique est couplé à un système double flux, ce qui est généralement le cas, surtout en maison individuelle, alors l intérêt du puits climatique sera d autant moins important que l efficacité du double flux sera importante. Couplé au double flux, le puits climatique assure une protection antigel de l échangeur en hiver, c est un intérêt à souligner (il évite le recours à la batterie de dégivrage). L efficacité d un puits climatique ou les gains attendus ne sont pas aisément calculables, car ils dépendent d un grand nombre de paramètres : le climat, la nature du sol, le bâtiment, le système de ventilation, le système de chauffage, les usages, la saison, la mise en œuvre du puits, etc. Des outils relativement détaillés existent pour simuler le fonctionnement d un puits climatique, il s agit principalement de : logiciel GAEA, développé par le département de la physique et de l énergie solaire appliquée aux bâtiments de l université de Siegen en Allemagne (logiciel payant) ; logiciel Pleiades+COMFIE, développé par la société IZUBA, pour les besoins de la simulation thermique dynamique, incluant un modèle de puits climatique (logiciel payant) ; logiciel TRNSYS, développé par l université du Wisconsin et le CSTB, pour la simulation thermique dynamique (outil plus détaillé que PLEIADE- COMFIE), très modulaire, incluant des modèles de puits climatiques (logiciel payant). Il est toutefois tentant d essayer de donner au moins une idée des gains que l on peut attendre en été ou en hiver, dans le cas d une maison individuelle, par exemple sur une journée type «chaude» d été et sur une journée type «froide» d hiver, sur un exemple de climat méditerranéen. On peut ensuite extrapoler sur une saison type estivale et une saison type hivernale. Malgré le grand nombre d hypothèses, les calculs simplifiés ci- après donnent des ordres de grandeurs «réalistes» et permettent de voir l impact de la variation de certains paramètres tels que le débit d air ou l efficacité de l échangeur du système DF. Ce calcul est très sommaire. Il est possible de faire varier les débits d'ʹair (été et hiver) et l'ʹefficacité du DF. Il s agit de la température extérieure mesurée à Carpentras, pour un jour d'ʹété et un jour d'ʹhiver, sur 24 heures. Les hypothèses de fonctionnement "ʺété"ʺ et "ʺhiver"ʺ figurent plus bas. 2) Fonctionnement et performances 4

6 Ensuite, la principale hypothèse concerne l'ʹévolution de la température de sortie du puits. En fait, elle est basée sur les données très "ʺgénérales"ʺ suivantes (avec des variations arbitraires réalistes) : en été, avec 30 C extérieur, on sort à peu près à 20 C ; en hiver, avec - 10 C extérieur, on sort à peu près à 2 C. Il n est pas compté de consommation supplémentaire de ventilateur pour le puits, or elle existe (on peut la négliger en première approche). Le «gain» ou la «perte» thermique de la maison sont calculés avec la formule générale suivante (avec Qv en m 3 /h) : P (W) = 0,34 x Qv x (Tint Tsoufflage). La température de soufflage dépendant de la présence ou non du puits climatique et de la stratégie de régulation en fonction de la température extérieure (by- pass du puits, by- pass de l échangeur du DF) comme ressort en couleur dans les tableaux ci- après. Le calcul suppose aussi que l on peut passer, sur le DF, de 100 m 3 /h hygiénique à 300 m 3 /h de débit maxi, ce qui n'ʹest pas forcément évident suivant la centrale DF choisie... Les hypothèses suivantes «été» et «hiver» sont prises en compte : Hypothèses «été» : la maison est rafraîchie (par un système S) pour maintenir un écart d'ʹenviron 5 à 7 C lorsqu'ʹil fait au- delà de 31 C dehors, et 0 C d'ʹécart lorsqu'ʹil fait 25 C dehors. En été, sans Puits, on bypasse l'ʹéchangeur du DF dès que Text est inférieure à Tint, pour faire du free- cooling (on admet que la diffusion d'ʹair n'ʹest pas inconfortable malgré le débit, or, ce peut être la nuit ). En été, avec Puits, on bypasse toujours l'ʹéchangeur DF et on bypasse le Puits dès que la température extérieure est inférieure à la température de sortie du Puits. Hypothèse «hiver» : la maison est chauffée à 20 C le jour et 18 C la nuit, c'ʹest le gain sur les pertes par renouvellement d'ʹair qui est évalué, entre le DF seul et le DF + Puits climatique. Le premier tableau ci- après concerne le cas «été», le deuxième tableau concerne le cas «hiver». Calcul simplifié de la performance «nominale journalière» d'un puits climatique sur une maison individuelle de type T4 d'environ 120 m² (300 m 3 ) La maison est équipée d'un système de ventilation double flux (DF) sur lequel est branché le puits climatique Site de Carpentras Données d'entrée ajustables : Débit d'air «été» : 300 m3/h Débit d'air «hiver» : 100 m3/h Rendement du DF : 60 % 2) Fonctionnement et performances 5

7 Été : jour «chaud» (10/07/2012) Heure Text Tint Tsortie puits Puits on/off Tsouffl DF Tsouffl DF+Puits Rafraîch. sans Puits Rafraîch. avec Puits 0 21, ,9 18, , ,5 18, , ,2 18, , ,6 17, , ,4 16, , ,4 16, , ,7 15, , ,8 15, , ,3 18, , ,8 18, , ,3 18, , ,0 19, , ,8 20, , ,6 21, , ,8 21, , ,7 22, , ,2 22, , ,0 22, , ,7 22, , ,6 21, , ,8 20, , ,2 19, , ,4 18, , ,8 18, Gain Puits/DF : Wh Hypothèse : Gain total Jours «chauds» kwh Jours «½ chauds» kwh Gain saison : 574 kwh 25 prix du kwh «froid» : (ex. clim PAC, EER = 3) 0,043 /kwh Hiver : jour «froid» (14/02/2013) Heure Text Tint Tsortie puits Puits on/off Tsouffl DF Tsouffl DF+Puits Pertes RA sans puits Pertes RA avec puits 0-1, ,2 14, , ,5 14, , ,4 14, , ,6 14, , ,6 14, , ,0 14, , , , ,2 14, , ,2 14, , ,9 15, , , , ,3 16, , ,8 16, , ,8 16, , ,9 17, , ,4 17, , ,8 17, , ,6 17, , ,9 16, ,4 16, , ,1 16, , ,3 16, , ,0 15, , ,5 14, Gain Puits/DF : 2636 Wh Hypothèse : Gain total Jours «froids» kwh Jours «½ froids» kwh Gain saison : 316 kwh 41 prix du kwh : 0,13 /kwh (ex. chauffage élec. Direct) On retrouve une tendance évoquée précédemment, à savoir que sous un climat type méditerranéen, le puits climatique est plutôt intéressant en été et plutôt peu intéressant en hiver, en termes d énergie «récupérée». Attention, le gain en est donné à titre d exemple ; suivant le coût de l énergie de 2) Fonctionnement et performances 6

8 refroidissement ou de chauffage considérée, le gain en peut finalement être plus important en hiver Si l efficacité du DF est plus élevée, tendance actuelle, alors le puits climatique devient d autant moins intéressant (en hiver comme en été), en termes d énergie récupérée. Sur l exemple précédent, si l efficacité du DF passe à 90 %, on obtient alors les résultats globaux ci- dessous : Saison «été» : Hypothèse : Jours «chauds» Jours «½ chauds» Gain total kwh kwh 474 kwh 21 Gain saison : prix du kwh «froid» : (ex. clim PAC, EER = 3) 0,043 /kwh Saison «hiver» : Hypothèse : Jours «froids» Jours «½ froids» Gain saison : Gain total kwh kwh 79 kwh 10 prix du kwh : 0,13 /kwh (ex. chauffage élec. Direct) Ces gains sont à comparer aux gains précédents de 574 kwh en été et 316 kwh en hiver. En climat méditerranéen, un puits climatique couplé à un DF haute efficacité n est pas vraiment intéressant Prise en compte du puits climatique dans la réglementation thermique RT2012 : Le puits climatique est pris en compte dans la RT2012, associé à une VMC double flux ou une VMC simple flux de soufflage. Des exemples de résultats pourront être donnés dans une version ultérieure du présent dossier. 3) Réalisation, coût, entretien La réalisation du puits climatique comprend deux parties principales : la mise en place du puits lui- même, avec les principaux composants évoqués au 1 : o Une prise d air neuf, o Un conduit d air enterré dans le sol (espacement minimum à respecter entre les tubes suivant le schéma de pose : 3 fois le diamètre des tubes), o Une évacuation des condensats (pente à respecter : 1 à 3 %), Le couplage avec le système de ventilation double- flux de la maison, avec réalisation d un by- pass. Le prix du matériel pour un puits climatique de maison individuelle est de l ordre de : 2000 à ) Réalisation, coût, entretien 7

9 Le puits climatique (source HELIOS) (source UNELVENT) A cela, il faut ajouter le prix de la main- d œuvre qui comprend trois postes principaux : Terrassement : rarement cité dans la littérature, on peut l estimer a minima à 20 /ml pour une tranchée de 1,5 m de profondeur et 0,5 m de large (soit environ 800 pour une tranchée de 40 m de long) ; Pose du collecteur (y compris remplissage de la tranchée), depuis la prise d air jusqu à la traversée de mur de la maison : il faut compter environ 300 ; Raccordement au système double flux, avec mise en place d un by- pass : il faut compter environ 300 ; Soit un prix total de main- d œuvre de l ordre de (source REHAU) L évacuation des condensats est un point important à ne pas négliger ; suivant la présence ou non d un sous- sol accessible dans la maison, on optera pour l un ou l autre des solutions ci- dessous : 3) Réalisation, coût, entretien 8

10 Présence d un sous- sol accessible Absence de sous- sol accessible (source HELIOS) Finalement, le prix total fourni- posé du puits climatique avec couplage au système double flux de la maison (hors coût du système double flux) peut être estimé à environ : 2500 à A titre indicatif, le prix du matériel pour un système double flux (centrale + réseaux de distribution) de maison individuelle est de l ordre de : 3500 à 4000, avec une pose estimée entre 2500 et 3000, soit un prix total fourni- posé du système double flux estimé à environ : 6000 à En maison individuelle, le choix se porte sur des puits climatiques vendus sous forme de kits, dont deux exemples sont donnés ci- dessus et les principaux fabricants ci- dessous (on retrouve parfois le même produit de base, commercialisé sous plusieurs marques). Quelques exemples de société commercialisant des puits climatiques, sous forme de kits : ALDES : EOLE : fr.com ATLANTIC : FRANCE- AIR : air.com HELIOS : fr.com UNELVENT : FIABITAT CONCEPT : REHAU : Pour les autres applications, sur des bâtiments du tertiaire (écoles, bureaux, etc.) voire des immeubles collectifs, il faut passer impérativement par un bureau d études qui assurera la conception du système. Le bureau d étude dispose des outils de calculs spécifiques ci- avant mentionnés. Précautions relatives à l hygiène et à la qualité de l air : 3) Réalisation, coût, entretien 9

11 Filtration de l air : l entrée d air (qui comporte en outre un chapeau pour éviter la pénétration d eau de pluie) doit comporter d abord une grille à mailles fines pour empêcher l intrusion de rongeurs, oiseaux ou insectes ; cette grille doit être accessible pour l entretien. L entrée d air doit comporter ensuite un filtre (G2 à G5, voire F6, F7, suivant les particules ou poussières présentes dans l environnement) dont l entretien doit être soigné (impact de l encrassement sur la perte de charge et la consommation du ventilateur ) ; Grille à maille fine (et filtre) Entrée d air type Filtre (poche) (source FIABITAT Concept) Traitement antimicrobien des tubes : les tubes proposés dans les kits peuvent avoir subi un traitement antimicrobien, qui freine la prolifération des bactéries (source de mauvaises odeurs) ; Etanchéité des tubes (risque accru en cas de présence de radon) : les tubes doivent être étanches afin d éviter la pénétration d eau, de racines et de radon dans certains zones sensibles (les tubes doivent être bien enrobés de terre afin d éviter les cavités où le radon pourrait s accumuler). La classe d étanchéité IP68 est recommandée (Ingress Protection / Protection contre les infiltrations). Entretien, maintenance : Le puits climatique doit être régulièrement vérifié et entretenu, une à deux fois par an. Cette périodicité dépend en particulier de l environnement qui peut entraîner un encrassement des filtres plus ou moins rapide, suivant la saison (poussières, pollens, etc.) : La grille à mailles fines doit être nettoyée ; Le ou les filtres au niveau de l entrée d air doivent être remplacés ; Il faut aussi vérifier le bon écoulement des condensats et contrôler le fonctionnement général du puits. 4) Synthèse Le puits climatique est une solution «douce» de récupération d énergie qui permet de rafraîchir un bâtiment en été et de le préchauffer en hiver, via le système de ventilation de ce bâtiment. 4) Synthèse 10

12 Son intérêt énergétique dépend d un grand nombre de paramètres : le climat, la nature du sol, le bâtiment, le système de ventilation, le système de chauffage, les usages, la saison, la mise en œuvre du puits, etc. Suivant le climat, en particulier, le puits climatique est plutôt «intéressant en été et pas intéressant en hiver» (puits provençal), ou vice versa plutôt «pas intéressant en été et intéressant en hiver» (puits canadien). Compte tenu du coût global de ce système (matériel, main- d œuvre, fonctionnement), il est difficile alors de parler d une durée d amortissement C est aussi une question de philosophie. Ce système est aujourd hui pris en compte dans la réglementation thermique RT2012. Documents de référence «Dimensionnement du puits climatique - Analyse, modélisation, validation d un modèle de simulation dynamique pour les puits canadiens ou provençaux», ADEME, IZUBA, ENSMP, 2003 Disponible en téléchargement sur : «Les puits canadiens/provençaux Guide d information», CETIAT, Disponible en téléchargement sur : «Le puits canadien à la loupe», FIABITAT Concept, Disponible en téléchargement sur : Documents de référence 11