13-7 - Recette pour concevoir un puits climatique, canadien ou provençal, dans une maison passive (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives

Histoire et réglementation

La nécessité de réduire la consommation d'énergie des bâtiments a imposé de réduire celle qui résulte de la ventilation obligatoire par balayage tout en conservant en permanence un air intérieur de bonne qualité. Cette obligation, qui implique une ventilation stable et sans interruption, a fini par imposer l'usage quasi systématique des VMC simple ou double flux, dont le fonctionnement peut et doit être continu. Cette obligation de fait et le constat de l’augmentation de la fréquence des périodes de canicule ont incité à faire transiter l'air neuf par des canalisations insérées dans le sol, toujours plus frais que l'air, pour tenter de réduire les températures intérieures en été. Ce principe est celui des puits climatiques aérauliques qui sont donc pratiquement toujours mis en œuvre en parallèle avec une VMC. Il y a donc forcément interaction entre les deux équipements qui sont le plus souvent amenés à gérer l'air simultanément.

Que le projet dans lequel ils sont mis en œuvre soit dans le sud de la France, à Toulouse par exemple, dans le nord ou en altitude, il existe une solution plus performante et moins risquée que toutes les autres. Elle est développée ci-après.

Pour plus de détails, vous devrez vous reporter aux précédents articles du site qui ont été largement développés sur le même sujet. Au commencement, il y a d'ailleurs les principes de conception des puits climatiques, canadiens et provençaux

Terminologie

Les puits climatiques sont des échangeurs géothermiques superficiels de chaleur entre un fluide caloporteur, qui circule dans des canalisations, et le sous-sol, à la température faiblement variable dans lequel elles sont placées. Initialement prévus pour le rafraîchissement estival, ils peuvent fonctionner en toute saison. S'ils ne fonctionnent qu'en hiver, ce sont des puits canadiens. S'ils ne fonctionnent qu'en été, ce sont des puits provençaux

Les objectifs initiaux

L'objectif assigné aux puits climatiques est de réchauffer de manière passive, sans source d'énergie calorique active, l'air entrant dans une habitation en hiver ainsi que de le rafraîchir en été, sans production thermodynamique énergivore de froid et sans utilisation de fluide frigorigène à l'effet de serre très élevé. La seule énergie nécessaire est celle qui permet la circulation des fluides caloporteurs qui, quelle que soit la température extérieure, doivent, en sortie du puits, atteindre une température le plus proche possible de celle du sol. L'objectif des puits climatiques est, en définitive, d'améliorer le confort tout en limitant les besoins énergétiques.

Les principes physiques mis en œuvre

La capacité d'un puits climatique à réchauffer ou refroidir l'air qui le traverse résulte de la température et de l'inertie du sous-sol qui lui permet d'absorber plus ou moins fortement et rapidement, suivant sa composition et son degré humidité, les variations de température du fluide caloporteur et dont de les limiter. Un puits climatique rajoute en quelque sorte, grâce à la ventilation mécanique obligatoire, une inertie externe importante à des constructions qui n'en ont pas forcément par ailleurs, notamment si elles sont isolées par l'intérieur ou en bois.

Les rôles des échangeurs des puits climatiques et de ceux des VMC double flux sont très différents même s'ils tendent tous le deux à stabiliser les températures intérieures. Celui d'un puits climatique est d'amener la température de l'air neuf le plus près possible de la température du sol, et celui de la VMC double flux est de l'amener le plus près possible de la température de l'air intérieur.

Des puits aérauliques aux puits hydrauliques

Les concepts de base des puits climatiques aérauliques sont simples, mais les risques de défauts de réalisation, de régulation, de durabilité, de place nécessaire à leur réalisation et leur prix très élevé au regard des avantages qu'ils peuvent fournir ont conduit à la conception de puits climatiques hydrauliques. Dans ces derniers, le fluide caloporteur est l'eau éventuellement glycolée en cas de risque de gel. Contrairement aux puits aérauliques, dans lesquels le fluide caloporteur circule en permanence en circuit ouvert, de l'extérieur vers l'intérieur, dans les puits hydrauliques, il circule en circuit fermé sans aucun entretien. La chaleur est transmise à l'air par une batterie hydraulique. Une pompe de circulation est indispensable pour faire circuler l'eau dans les canalisations. La mise en œuvre de ces puits, par une entreprise non qualifiée, comme c'est très souvent le cas, est très facile et, de plus, le coût de réalisation est bien moins élevé que dans le cas d'un puits aéraulique. Leur fonctionnement est également plus simple. Les retours d'expérience montrent que les puits climatiques les plus simples sont ceux qui présentent le moins de défauts de fonctionnement.

Un puits climatique optimisé et sans risque est obligatoirement hydraulique

Puits climatique et VMC

L'insufflation d'air neuf en provenance d'un puits climatique est parfois réalisée par un simple ventilateur et une unique bouche de soufflage. Dans cette conception toutes les pièces principales ne reçoivent pas directement cet air neuf préconditionné. De plus, l'unique ventilateur perturbe obligatoirement le fonctionnement global de la VMC et une ventilation correcte par balayage ne peut plus être assurée. Cette forme de ventilation ne doit pas être mise en œuvre parce que, non seulement, elle n'est bien évidemment pas satisfaisante sur le plan du confort, mais que, de plus, elle n'est pas conforme à la réglementation.

Pour créer une ventilation homogène qui fonctionne vraiment par balayage, l'air préconditionné par le puits climatique doit être amené directement dans toutes les pièces principales. Cette nécessité implique la réalisation d'un réseau de distribution de l'air neuf. Ce constat logique implique qu'une VMC double flux est préférable à une VMC simple flux car son réseau et son ventilateur d'insufflation de l'air neuf peuvent alors avoir deux usages.

Un puits climatique doit être couplé à une VMC double flux performante

Les infos et concepts Maison Passive

Le puits climatique hydraulique le plus performant

Lorsqu'un puits provençal est couplé, de manière traditionnelle à l'entrée d'air d'une VMC double flux :
          • L'échangeur de la VMC, pourtant performant, doit être systématiquement bipassé pour ne pas être contreproductif en réchauffant l'air préalablement rafraîchit par le puits. Son potentiel de rafraîchissement n'est pas utilisé.
          • L'échangeur du puits provençal peut être autodestructeur alors que celui de la VMC, qui ne court pas ce risque et pourrait même réduire celui du puits, n'est pas utilisé.

En été, contrairement à la solution classique, la conception optimisée d'un puits climatique hydraulique consiste à installer ce dernier en sortie de la VMC. L'échangeur de la VMC devient alors pleinement opérationnel en réduisant la température en entrée et, par voie de conséquence, en sortie du puits. Un air neuf plus frais peut alors être insufflé dans les locaux.

La batterie d'un puits provençal hydraulique doit toujours être placée après la VMC

La température du sol dépend du climat. Pendant les longues périodes de canicule, le sol est bien plus chaud au soleil qu'à l'ombre. Au fil des jours, la température du sous sol s'élève de quelques degrés de plus au sud d'une construction qu'au nord.

Le réseau de canalisation d'un puits provençal hydraulique doit toujours être placée dans un sol ombragé

Un puits provençal supprime les risques de surchauffe dus à la ventilation et peut même, lorsqu'il y a surventilation, légèrement rafraîchir les locaux qu'il dessert grâce aux ventilateurs et au réseau de la VMC double flux à laquelle il est couplé. Plus il est efficace et plus les locaux sont rafraîchis. Dans la nouvelle conception post-VMC, plus les locaux sont frais et plus l'air neuf est rafraîchi en sortie de VMC double flux donc en entrée du puits provençal. Plus l'air rentre frais dans le puits provençal et plus il en sort proche de la température du sol. Ce cercle vertueux permet, non seulement d'obtenir un air insufflé plus frais, mais, de plus, un puits provençal bien moins autodestructeur. Le puits provençal et de la VMC double flux sont alors totalement interdépendants et assurent le meilleur rafraîchissement possible.

La VMC qui protège le puits provençal permet de surventiler plus efficacement en été

Lorsque la température extérieure est inférieure à celle qui peut être obtenue à la sortie de la VMC, l'échangeur de cette dernière doit être bipassé mais le puits provençal ne doit en aucun cas être arrêté. Tant que les puits provençaux sont utiles, en période de forte chaleur, la pompe de circulation du fluide caloporteur doit fonctionner en permanence, jour et nuit. Comme déjà indiqué, un puits provençal qui n'est pas refroidi ne peut pas stocker la fraicheur qui sera vraiment nécessaire aux heures les plus chaudes de la journée, quand il y a risque de surchauffe.

La VMC double flux doit être équipée d'un by-pass automatique pour l'été

En hiver, par contre, le puits canadien doit toujours être placé avant la VMC sinon, l'air préchauffé au plus près de la température intérieure par cette dernière serait ramené au plus près de la température du sol par le puits. L'échangeur d'une VMC double flux ne doit alors jamais être bipassé.

La batterie d'un puits canadien hydraulique doit toujours être placée avant la VMC

Bien que de faible puissance, puisqu'un puits climatique est bien plus performant en été qu'en hiver, grâce à la surventilation et que, de plus, ce bilan s'accentuera obligatoirement dans le temps du fait de l'évolution du climat, leur conception doit être basée sur leur fonctionnement pendant la période estivale. La mise en œuvre d'un puits canadien, peu efficace, doit être limitée au cas où il ne s'agit que de l'extension à moindre coût d'un puits provençal. Réaliser un puits climatique hydraulique suivant le nouveau concept implique simplement d'installer sa batterie après la VMC, juste avant le départ du réseau de distribution. Une deuxième batterie peut alors être installée avant la VMC pour réduire les risques de gel en hiver, parce qu'il ne s'agit alors que d'une option à moindre coût.

Un puits canadien doit seulement être une option d'un puits provençal

La régulation d'un puits climatique doit être la plus simple possible. Un thermostat sur l'air extérieur suffit pour réguler l'option puits canadien éventuelle, en l'activant seulement en cas de risque de gel ou en dessous de 2°C. Un deuxième thermostat suffit à activer le puits provençal lorsque la température intérieur dépasse 23°C ou la température maximale de consigne. En été, le puits provençal doit fonctionner en continue afin d'évacuer la nuit la chaleur qu'il a stocké le jour et pouvoir ainsi répéter le cycle. En cas de baisse de température extérieure, la régulation ne doit le stopper que lorsque sa température est le plus basse possible, généralement dans la matinée après avoir été refroidi toute la nuit.

Un puits climatique peut être piloté par des thermostats ou fonctionner en permanence
Le fait d'installer une batterie hydraulique après la VMC permet non seulement de rafraîchir en été grâce à l'échangeur d'un puits provençal, mais aussi de chauffer en hiver en la couplant à un système de production de chaleur.
La batterie d'un puits provençal hydraulique peut également chauffer

En conclusion

Les puits climatiques sont mieux adaptés aux maisons passives parce qu'elles ne nécessitent que de faibles puissances, qu'elles sont étanches à l'air et qu'elles sont systématiquement dotées d'une VMC double flux. Lorsqu'ils sont hydrauliques et installés dans une maison de ce type, les puits climatiques peuvent rafraîchir en été grâce à la surventilation. Ils peuvent, en option, éviter les risques de gel à moindre coût en hiver. Enfin, leur batterie post-VMC peut même permettre de chauffer pendant cette dernière saison. Ces remarques n'impliquent pas, contrairement à ce qui devrait être, que toutes les constructions doivent être passives ou proche passif, mais, simplement, que si une construction n'est pas suffisamment performante, l'investissement dans un puits climatique est inutile quelle que soit sa conception.

Un puits climatique n'a vraiment un intérêt que si c'est un puits provençal hydraulique
installé dans un sol ombragé avec une option puits canadien
raccordé en sortie d'une VMC double flux très performante dotée d'un by-pass et installée à l'intérieur d'une maison passive

Cet article est la conclusion de la série consacrée aux puits climatiques dont le premier définit les principes de conception des puits climatiques, canadiens et provençaux, mais il reste encore la bibliographie sur le sujet.

En résumé, pour qu'un puits climatique soit performant :

  • Un puits climatiques optimisé et sans risque est obligatoirement hydraulique
  • Un puits climatique doit être couplé à une VMC double flux performante
  • En été, la batterie d'un puits provençal hydraulique doit toujours être placée après la VMC
  • La VMC qui protège le puits provençal permet de surventiler plus efficacement en été
  • La VMC double flux doit être équipée d'un by-pass automatique pour l'été
  • En hiver, la batterie d'un puits canadien hydraulique doit toujours être placée avant la VMC
  • Un puits canadien doit seulement être une option d'un puits provençal
  • Un puits climatique peut être piloté par des thermostats ou fonctionner en permanence
  • La batterie d'un puits provençal hydraulique peut également chauffer
  • Les puits climatiques sont mieux adaptés aux maisons passives parce qu'elles ne nécessitent que de faibles puissances, qu'elles sont étanches à l'air et qu'elles sont systématiquement dotées d'une VMC double flux.
  • Un puits climatique n'a vraiment un intérêt que si c'est un puits provençal hydraulique installé dans un sol ombragé avec une option puits canadien raccordé en sortie d'une VMC double flux très performante dotée d'un by-pass et installée à l'intérieur d'une maison passive

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