13-4 - Efficacité du couplage entre puits canadien classique et VMC Double Flux (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Rappel rapide…

Comme indiqué dans l'article "Interactions entre puits climatique et VMC", un puits climatique aéraulique de conception classique n'est vraiment efficace et n'améliore le confort que s'il est couplé à une VMC double flux. L'air neuf peut, dans ce cas, en comptant les by-pass du puits climatique et de la VMC, emprunter 4 chemins possibles :
           • 1 - de l'extérieur directement vers l'intérieur
           • 2 - de l'extérieur vers le puits climatique puis directement vers l'intérieur
           • 3 - de l'extérieur vers l'intérieur en passant directement par l'échangeur de la VMC
           • 4 - de l'extérieur vers le puits climatique puis vers l'intérieur en passant par l'échangeur de la VMC

Dans un puits climatique hydraulique, les trajets 1 et 3, qui ne passent pas par le puits climatique, correspondent a un arrêt de la circulation de l'eau dans la batterie. Inversement, les trajets 2 et 4 correspondent au moment où la pompe fait circuler l'eau entre le réseau souterrain et la batterie.

Les espoirs…

En hiver, la température de l'air neuf qui transite au travers d'un couple formé d'un puits canadien et d'une VMC double flux peut seulement s'approcher, sans source d'énergie de chauffage, de la température moyenne la plus élevée qui assure son fonctionnement. Dans ce cas, il s'agit de la température de l'air intérieur, soit 20°C suivant les conditions de calcul du label Passivhaus.

La température de l'air neuf qui transite en hiver
au travers d'un puits canadien et d'une VMC double flux est toujours inférieure à 20°C

Le couple puits canadien et VMC double flux ne peut donc en aucun cas chauffer une construction même à ce niveau de performance. Les deux équipements réunis ne font que limiter les déperditions résultant du renouvellement de l'air. Comme le besoin de chauffage des maisons passives et la puissance de chauffage nécessaire le jour le plus froid de l'année sont déterminés après déduction des gains qu'ils procurent, il faut encore amener une énergie maximale de 15kWheu/m2Shab.an pour monter la température de l'air à 20°C et surtout compenser toutes les déperditions après déduction des apports solaires et internes.

A la profondeur d'un puits canadien, la température hivernale du sous-sol à forte inertie est toujours beaucoup plus stable et moins basse que celle de l'air extérieur. Le puits peut donc théoriquement réchauffer l'air neuf qui le traverse pendant les périodes les plus froides. il doit même pouvoir limiter l'amplitude des variations de température sans autre source d'énergie que celle nécessaire à la circulation du fluide caloporteur. Cette capacité à préconditionner et à stabiliser la température de l'air neuf doit pouvoir être optimisée pour améliorer le confort intérieur. Qu'en est-il en réalité? Quelles performances peut-on en attendre?

Bilan en hiver…

Dans cet article, on considère que :

  • la saison est exclusivement l'hiver. La saison estivale est l'objet de l'article suivant.
  • la température de l'air intérieur est de 20°C du fait du chauffage pendant toute cette saison. Cette température est celle qui est prise en compte dans les conditions de calcul d'un bâtiment au label Passivhaus.
  • la température du sous-sol est de 6°C à la profondeur du puits climatique
  • le trajet suivit par l'air de l'extérieur vers l'intérieur est automatiquement déterminé par les capteurs de température de manière à assurer le meilleur confort et le plus d'économie d'énergie possible.
  • Le puits climatique, dénommé puits canadien pendant cette saison, est calculé pour réchauffer l'air à 2°C quand la température extérieure est de -10°C, celle du sol de 6°C et lorsque la VMC fonctionne avec un débit d'air de 1m3/m2Shab, soit soit 0,4 Volume par heure lorsque la hauteur sous plafond est de 2,50m. L'écart de température entre l'air extérieur et celui sortant du puits climatique est donc de 12°C.
  • les incidences sont indiquées en fonction des évolution quotidiennes du couplage entre puits canadien et VMC double flux sans prendre en compte celles résultant de l'évolution des températures du fait du climat sur une période annuelle

En hiver, la température extérieure peut baisser en dessous de -10°C dans pratiquement toutes les régions françaises. Elle peut parfois même baisser bien plus et, exceptionnellement, descendre en dessous de -30°C. Certains records sont même encore bien plus bas. La température du sous-sol, elle, ne baisse que rarement en dessous de 5 à 6°C, car une telle variation météorologique ne dure généralement que très peu de temps. Dans tous les cas, pendant la période hivernale, la température extérieure est toujours nettement plus faible que ce que peut supporter un homme en permanence. En hiver, il fait généralement froid le jour et encore bien plus froid la nuit. Le puits canadien lui-même est froid. L'écart de température avec l'air intérieur, considéré à 20°C, est de 30°C pour une température extérieure de -10°C. Il peut exceptionnellement monter, dans les cas extrêmes, au-delà de 50°C soit 2,5 fois plus que pendant les périodes de canicule estivale. Les écarts de température entre le jour et la nuit sont par contre généralement bien plus faibles qu'en été.

Trajet 1 : de l'extérieur directement vers l'intérieur

Pendant cette saison, l'air qui pénètre directement dans un logement est froid ou très froid. La différence de température avec l'air intérieur, notamment à proximité des bouches d'insufflation, provoque systématiquement une sensation d'inconfort d'autant plus importante que les constructions sont bien isolées et que, par voie de conséquence, les températures toutes homogènes et proches de 20°C. Cette solution est similaire à celle d'une construction seulement équipée avec une VMC simple flux sans couplage avec un puits canadien. Le chemin qui consiste à faire passer l'air directement de l'extérieur vers l'intérieur ne peut donc généralement pas être utilisé.

Il peut toutefois arriver, du fait du réchauffement climatique, notamment en milieu de journée dans le sud de la France, que l'air extérieur soit plus chaud que l'air intérieur. Le by-pass du puits canadien, s'il existe, et celui de la VMC, destinés à s'ouvrir uniquement pour rafraîchir les locaux, vont rester fermés. Ce cas, qui peut paraître contreproductif en période de chauffage, notamment parce qu'il est de moins en moins rare, ne l'est pas réellement puisque la chaleur ne va pas être perdue, mais simplement stockée dans le sous-sol pour être restituée quelques heures plus tard. Il ne peut donc en aucun cas justifier l'utilisation du trajet direct de l'air de l'extérieur vers l'intérieur.

Trajet 2 : de l'extérieur vers le puits climatique puis directement vers l'intérieur

Le cas d'un puits canadien et d'une VMC double flux dont l'échangeur est bipassé en hiver n'est pas non plus envisageable pour la bonne et simple raison que l'échangeur de la VMC est bien plus performant que celui du puits canadien pour préchauffer l'air neuf. Dans le meilleur des cas, avec un puits climatique à l'efficacité idéale très proche de 100%, l'air arriverait à l'intérieur à la température du sol, soit, avec les caractéristiques définies en début de chapitre, à seulement 6°C. L'air neuf présenterait encore un écart de température de 14°C avec l'air intérieur est serait toujours froid. En passant par l'échangeur d'une VMC double flux, même de très mauvaise qualité, à courant croisé par exemple, avec une efficacité de seulement 50%, le gain de température, dont le calcul est expliqué dans le paragraphe suivant, serait de 7°C. La température atteindrait 13°C, soit bien plus qu'avec un puits canadien seul, même idéal. En hiver, l'échangeur de la VMC est toujours plus efficace que celui du puits canadien.

L'échangeur d'une VMC double flux couplé à un puits canadien ne doit jamais être bipassé

Trajet 3 : de l'extérieur vers l'intérieur en passant directement par l'échangeur de la VMC

La plupart des échangeurs de VMC double flux sont aujourd'hui, fort heureusement à contre-courant. Leur efficacité thermique peut dépasser 90%. Une telle efficacité signifie que 90% de la différence de température entre l'air extérieur et l'air intérieur est transférée à l'air insufflé qui est plus froid. Si, en hiver, l'air extérieur est à -10°C et l'air intérieur à 20°C, la différence de température est de 30°C. L'air extérieur récupérera 90% de cet écart soit 27°C et rentrera donc à 17°C dans les locaux. La température à la sortie d'un puits canadien ne peut, par contre, jamais dépasser la température du sol, soit 6°C dans notre exemple. Elle est donc toujours bien plus faible que celle qui peut théoriquement être obtenue avec l'échangeur d'une VMC. Cette remarque confirme le non-sens d'une VMC qui serait bipassée après le passage dans le puits canadien tel qu'indiqué dans le paragraphe précédent. Il démontre même qu'une VMC seule peut être pratiquement aussi efficace que le couplage entre un puits canadien et une VMC double flux.

Une VMC double flux est bien plus efficace qu'un puits canadien pour réchauffer l'air en hiver
Faire transiter l'air de l'extérieur vers l'intérieur en passant uniquement par l'échangeur d'une VMC, qui parait au premier abord hautement efficace et pourrait être très économique du fait de la suppression possible du puits canadien, présente toutefois un inconvénient majeur. La vapeur contenue dans l'air extrait qui est refroidi brutalement par l'air neuf se condense. Si l'air extérieur est vraiment très froid, les condensats peuvent geler et finir par provoquer un éclatement de l'échangeur de la VMC. Cette solution théorique est donc éliminée sauf si la VMC est équipée d'un système de réchauffement de l'air neuf pour éviter tout risque de gel.

Trajet 4 : de l'extérieur vers le puits climatique puis vers l'intérieur en passant par l'échangeur de la VMC

Dans un couplage classique puits canadien et VMC double flux, passer directement pas la VMC implique que le puits est équipé d'un by-pass. Des retours d'expérience montrent que les by-pass présentent fréquemment des défauts d'étanchéité. Dans un tel cas, une partie de l'air ne passe pas par le puits, mais provient directement de l'extérieur souvent bien plus froid, notamment la nuit. L'air préchauffé dans le puits perd alors une partie de la chaleur qu'il a récupérée. Ce défaut peut rétablir le risque de gel de l'échangeur de la VMC alors que le puits canadien est à l'inverse censé assurer sa protection hors gel. La batterie chaude peut alors pallier au problème, mais avec une énergie calorique supplémentaire qui pourrait être évitée sans le problème, donc sans by-pass.

Supprimer le by-pass du puits canadien peut paraître contreproductif en cette période de chauffage, si l'air extérieur est plus chaud que l'air à la sortie du puits. Ce n'est pourtant pas le cas parce que cette situation est rare même dans le sud de la France, que la chaleur ne va pas être perdu mais simplement stockée dans le sous-sol pour être restituée quelques heures plus tard et que, de plus, la baisse de temporaire température sera compensée par l'échangeur de la VMC. Lorsqu'il y a, par contre, défaut du by-pass, le problème est constant et pratiquement indétectable parce qu'il est lui aussi compensé en partie par l'échangeur de la VMC. Pour éviter ces risques :

Le by-pass d'un puits canadien aéraulique doit être supprimé

Le fait de supprimer le by-pass provoque une légère consommation supplémentaire d'énergie par le ventilateur de la VMC. Celle-ci est toutefois très faible et ne peut pas remettre en cause sa suppression.

Le by-pass d'un puits canadien aéraulique correspond simplement à un arrêt de la pompe dans le cas d'un puits hydraulique. C'est un autre avantage de ce type de puits dans lesquels les risques liés au by-pass n'existent pas. Contrairement au puits aéraulique qui fonctionne en continu sans by-pass, le fonctionnement du puits canadien hydraulique doit être contrôlé par un capteur de température qui doit limiter le fonctionnement de la pompe aux périodes pendant lesquelles la température extérieure peut provoquer un risque de gel. Par mesure de sécurité, le puits canadien peut fonctionner dès qu'elle est inférieure à 2°C. Le reste du temps, la pompe ne fonctionne pas et sa consommation d'énergie est donc supprimée. Lorsque le sous-sol est plus chaud, l'arrêt du puits hydraulique est d'autant mieux compensé par l'échangeur de la VMC qu'il est efficace.

En début d'article, il a été précisé que la conception du puits canadien était déterminée de manière à ce que l'air extérieur soit réchauffé à 2°C lorsque la température extérieure est à -10°C. Ce n'est bien évidemment pas un choix inopiné. Le fait de supprimer le by-pass du puits canadien et donc de faire systématiquement transiter l'air neuf par son intermédiaire permet, tant que la température extérieure n'est pas inférieure à -10°C, de maintenir systématiquement l'échangeur de la VMC double flux hors gel sans autre source d'énergie que celle de son propre ventilateur. C'est là un système de préchauffage efficace et particulièrement économique de l'air neuf. Quand l'air extérieur est inférieur à -10°C, et seulement dans ce cas, une batterie chaude, dotée d'une source d'énergie active, peut amener le complément indispensable à la sécurisation de l'échangeur de la VMC. Cette éventualité ne se produit que très rarement, seulement quelques jours par an et encore, ni tous les ans, et ni dans toutes les régions françaises.

Conclusion…

En période hivernale, parmi les trajets possibles que l'air peut suivre dans un couplage classique puits canadien et VMC double flux, un seul permet, quand il fait vraiment froid, une amélioration certaine du confort et une diminution simultanée de la consommation énergétique résultant de la ventilation et donc du chauffage. C'est celle qui consiste à faire systématiquement transiter l'air neuf par le puits canadien pour maintenir l'échangeur de la VMC hors gel puis par l'échangeur de la VMC pour le réchauffer. Il atteint alors une température d'autant plus proche de celle qui règne à l'intérieur qu'il est lui même efficace.

Le puits canadien n'a pourtant, dans cette configuration, que peu d'incidence sur le bilan thermique pendant toute la saison. Il ne permet en effet d'économiser que l'énergie nécessaire au maintien hors gel de l'échangeur quand la température extérieure est négative. Il est donc plus utile dans les zones froides et dans le nord de la France ou en altitude que dans le sud. Le reste du temps, en dehors des périodes de gel, il a d'autant moins d'intérêt sur le plan du confort et sur celui des économies d'énergie que l'échangeur de la VMC est performant. Dans le cas, par exemple, d'un échangeur de VMC dont l'efficacité thermique est de 90%, avec des températures d'air extérieur de 2°C et intérieur de 20°C soit un écart de 18°C, l'air neuf atteint une température de plus de 18°C sans puits canadien. Autant dire que ce dernier n'est pas, en dehors des périodes de gel, et donc la plupart du temps, d'une grande utilité.

Un puits canadien couplé à une VMC double flux est d'autant moins utile que échangeur de la VMC est efficace
Le seul rôle vraiment efficace d'un puits canadien est de maintenir l'échangeur de la VMC hors gel

La puissance d'un puits canadien est très limitée. Avec les paramètres fixés en début d'article, quand il permet de réchauffer la température de -10°C à 2°C, soit un gain de température de 12°C, elle est au maximum de 4W/m2Shab lorsque le débit est de 1m3/m2Shab. L'échangeur de la VMC qui peut amener l'air neuf de 2°C à plus de 18°C avec ce même débit a, de son côté, une puissance maximale d'environ 5W/m2Shab. Le bilan global est donc une puissance maximum totale d'environ 9W/m2Shab, soit 900W pour des locaux d'une surface habitable totale de 100m2.

La puissance d'un puits canadien est proportionnelle à son débit. Augmenter le débit pour augmenter la puissance globale du couple ne servirait à rien car, dans tous les cas, la température de l'air neuf après la VMC resterait inférieure à la température intérieure. Ce serait même contreproductif, car il faudrait plus d'énergie pour chauffer le volume supplémentaire d'air neuf inutile.

Augmenter les débits d'un puits canadien couplé à une VMC double flux au-delà du minimum nécessaire est contreproductif

La puissance moyenne du couplage sera au moins deux à trois fois plus faible que la puissance maximale parce que cette dernière ne peut être atteinte que lorsque la température extérieure sera de -10°C et donc seulement quelques jours par an. Cette valeur peut paraître ridicule en comparaison des puissances auxquelles les bâtiments classiques nous ont habitués y compris dans les bâtiments limités au respect de la réglementation RT2012. Ces remarques confirment que les puits canadiens sont d'autant plus efficaces que les constructions dans lesquelles ils sont mis en œuvre sont performantes et que le climat dans lequel elles sont situées est froid. Dans une maison passive au label Passivhaus, dont la puissance est, dans le pire des cas, notamment dans le sud de la France, toujours inférieure à 15W/m2 quand seul le critère du besoin de chauffage est respecté, la puissance du puits canadien peut, par contre, avoir une incidence bien plus importante. Quand c'est le critère de puissance maximum de 10W/m2Shab qui est respecté, le puits canadien est, bien sûr, encore plus efficace.

Enfin puisque parmi les chemins proposés un seul est vraiment efficace, les équipements nécessaires aux autres sont donc inutiles et ne doivent pas être mis en œuvre. C'est notamment le cas du by-pass d'un puits canadien aéraulique qui, contrairement à la pratique habituelle et s'il en va de même en été, ne devra pas être installé.


En résumé, en hiver :

  • Un puits canadien n'a d'intérêt que s'il est associé à une VMC double flux
  • Une VMC double flux est bien plus efficace qu'un puits canadien pour réchauffer l'air en hiver
  • L'échangeur d'une VMC double flux couplé à un puis canadien ne doit jamais être bipassé parce qu'il est toujours plus efficace que le puits canadien seul
  • Le by-pass habituellement prévu lors de la conception des puits canadiens doit être supprimé
  • Augmenter les débits d'un puits canadien couplé à une VMC double flux au-delà du minimum vital est contreproductif
  • Les puits canadiens 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 canadien est d'autant moins utile que la VMC double flux est performante
  • Le seul rôle vraiment efficace d'un puits canadien est de maintenir l'échangeur de la VMC hors gel



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