13-6 - Tous les puits provençaux peuvent être améliorés (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Les conditions d'efficacité des puits climatiques

Après avoir défini les principes des puits climatiques, les précédents articles sur le sujet ont conduit aux conclusions suivantes :

• Un puits climatique hydraulique est préférable à un puits climatique aéraulique. ("Conception traditionnelle des puits climatiques")
• Un puits climatique nécessite un réseau d'insufflation de l'air dans toutes les pièces principales pour fonctionner efficacement. Il est donc plus adapté aux constructions équipées de VMC double flux qu'à toute autre. ( "Interactions entre puits climatique et VMC")
• En hiver, la seule vraie utilité d'un puits canadien est de protéger l'échangeur d'une VMC double flux des risques de gel. ("Efficacité du couplage entre puits canadien et VMC double flux")
• En été, du fait de sa faible puissance, un puits provençal ne peut légèrement rafraîchir que les bâtiments très performants et surventilés par son intermédiaire. ("Efficacité du couplage entre puits provençal et VMC double flux")

En conclusion, les puits climatiques sont mieux adaptés, plus efficaces et moins chers dans les maisons passives que dans toute autre 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 et de son réseau

Un puits climatique n'a vraiment un intérêt que si c'est
un puits provençal hydraulique associé à une VMC double flux très performante dans une maison passive

Performance de l'échangeur d'une VMC double flux couplée à un puits provençal

Un échangeur de VMC est, entre autres, caractérisé par son efficacité qui peut varier dans d'énormes proportions. Ceux des VMC à courants croisés ne sont que de 50%, alors que certains échangeurs à contre-courant dépassent 90%. Une efficacité de 50% signifie que 50% de la différence de température entre l'air entrant et l'air sortant est récupérée par l'air le plus froid et donc enlevée à l'air le plus chaud.

  • 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 50% de 30°C soit 15°C et rentrera donc à 5°C dans les locaux
  • Si, en été, l'air extérieur est à 40°C et l'air intérieur à 24°C, la différence de température est de 16°C. L'air entrant perdra 50% de cet écart soit 8°C et arrivera donc dans les locaux à 32°C
Dans les mêmes conditions, l'air pénétrera dans les locaux à 17°C au lieu de -10°C en hiver et seulement 26°C au lieu de 40°C en été avec un échangeur à contre-courant dont l'efficacité thermique est de 90%. A la vue de ces résultats, on comprend bien qu'une VMC double flux performante n'est pas seulement utile en hiver. Elle fonctionne aussi très bien en été en limitant fortement la quantité de chaleur amenée par la ventilation. En l'absence d'équipement dédié au rafraîchissement, comme un puits provençal ou un appareil de climatisation, les VMC double flux sont donc tout aussi utiles dans les régions les plus chaudes que dans les régions les plus froides. Cette remarque soulève là ce qui semble être un problème. Lorsqu'un puits provençal est couplé de manière traditionnelle à une VMC double flux, l'échangeur de cette dernière doit être systématiquement bipassé pour ne pas être contreproductif, tel qu'indiqué dans l'article "Efficacité du couplage entre puits provençal et VMC double flux". Le potentiel de rafraîchissement de l'échangeur de la VMC double flux pourtant performant n'est alors pas utilisé!!!

Incidence de l'ordre entre échangeurs similaires en série

On peut imaginer que 2 échangeurs de VMC sont installés l'un après l'autre, en série, comme on le fait traditionnellement entre un puits climatique et une VMC. On peut placer l'échangeur à courant croisé avant l'échangeur à contre-courant ou inversement placer l'échangeur à contre-courant avant l'échangeur à courant croisé. On peut alors penser que les rendements se cumulent, que la différence de température entre l'extérieur et l'intérieur est soumise successivement aux deux coefficients d'efficacité soit 50%*90% et que, en vertu de la commutativité de la multiplication, le résultat final sera identique quel que soit l'ordre des échangeurs. Avec les données ci-avant, on obtient les résultats suivants :
  • Si l'échangeur à courant croisé est placé en premier, l'air arrive à 30°C à l'entrée de l'échangeur à contre-courant tel qu'indiqué ci-avant. La différence avec la température intérieure est alors de 10°C et le deuxième échangeur va en récupérer 90% soit 9°C. L'air va arriver à l'intérieur à 21°C
  • Si l'échangeur à contre-courant est placé en premier, l'air arrive à 22°C à l'entrée de l'échangeur à courant croisé. La différence avec la température intérieure est alors de 2°C et le deuxième échangeur va en récupérer 50% soit 1°C. L'air va arriver à l'intérieur à 21°C.
Comme prévu les échangeurs des VMC peuvent être commutés sans incidence sur la performance. Cet exemple, qui pourrait être généralisé à plusieurs échangeurs de VMC, donne plusieurs informations essentielles :
  • L'ordre dans lequel sont placés plusieurs échangeurs de VMC en série est sans importance sur la température finale
  • Lorsqu'il y a plusieurs échangeurs, les performances du second sont très fortement réduites
  • Lorsque plusieurs échangeurs sont posés en série, le premier doit être le plus performant et, dans ce cas, la performance du second est parfois tellement réduite qu'il devient inutile.
Incidences de l'ordre entre échangeur de VMC et de puits climatique en série

Les résultats ci-avant sont toujours atteints avec des échangeurs de VMC très similaires qui ne fonctionnent que grâce à l'énergie qui leur est transmise en continu par l'air extrait, sans incidence de phénomènes d'inertie. Le résultat de la comparaison et les conséquences du couplage seraient toutefois identiques avec les échangeurs à forte inertie de deux puits climatiques qui tendraient tous deux à approcher la température de l'air neuf de celle du sol. Mais que se passe-il lorsque les deux types d'échangeurs sont couplés? L'ordre des échangeurs est-il sans importance sur l'efficacité globale comme c'est le cas dans les exemples précédemment quand les échangeurs sont de même type?

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.
  • La température du sol étant toujours inférieure à la température intérieure diurne, la température de l'air neuf qui emprunte un puits climatique efficace est toujours inférieure à la température intérieure
  • En été, la température du sol est pratiquement toujours inférieure à la température extérieure diurne tandis qu'en hiver elle est pratiquement toujours supérieure à la température extérieure nocturne.
Dans le cas d'une conception traditionnelle, le puits climatique est, en hiver comme en été, toujours placé avant la VMC.

L'article "Efficacité du couplage entre puits canadien et VMC double flux" montre que ce type de puits climatique n'est pas suffisamment performant pour avoir un quelconque autre intérêt que celui qui consiste à protéger l'échangeur de la VMC des risques de gel. L'échangeur de la VMC est, par contre, bien plus efficace puisqu'il pourrait, sans couplage avec un puits canadien et sans aucune source d'énergie calorique, réchauffer suffisamment l'air entrant pour lui permettre d'atteindre une température proche de celle de l'air intérieur. Dans cette conception traditionnelle, contrairement aux conclusions précédentes sur l'ordre le plus performant du couplage entre échangeurs, le plus performant n'est pas placé en premier. Il y a deux raisons essentielles qui ne permettent pas de faire autrement. Si la VMC était placée avant le puits canadien :
  • elle ne serait pas protégée des risques de gel.
  • le puits canadien refroidirait l'air précédemment préchauffé par l'échangeur de la VMC afin de le ramener à une température proche de celle du sol. Le couplage serait alors totalement contreproductif. Contrairement aux échangeurs de même type, le couplage entre un puits canadien et une VMC double flux n'est donc pas commutatif.

En hiver, dans un couplage entre un puits climatique et une VMC double flux
le puits canadien doit toujours être placé avant la VMC

L'article "Efficacité du couplage entre puits provençal et VMC double flux" montre que ce type de puits climatique peut d'autant mieux limiter les risques de surchauffe que le débit de ventilation est élevé. La surventilation en été est efficace pour évacuer la nuit la chaleur stockée dans la journée. Il montre également que l'échangeur de la VMC doit toujours être bipassé sans quoi l'air neuf serait inutilement réchauffé au plus près de la température intérieure après avoir été rafraîchi dans le puits climatique, au plus près de celle du sol. Dans une conception traditionnelle des puits climatiques, les échangeurs de VMC non bipassés en été sont donc totalement contreproductifs. Même très performant, l'échangeur de la VMC n'a donc, dans ce couplage, aucun intérêt sur le plan du confort et, tel que précisé en début d'article, leur potentiel de rafraîchissement est totalement perdu.

Dans un couplage traditionnel entre puits provençal et VMC double flux
le potentiel de rafraîchissement des échangeurs de VMC est perdu

Un puits provençal rafraîchit le fluide caloporteur qui le traverse le jour, en été, en absorbant et donc en stockant la chaleur de ce dernier. Cette chaleur doit être évacuée la nuit pour que le cycle puisse se répéter. Comme indiqué dans l'article précédent, un puits provençal ne doit donc jamais être stoppé pour évacuer la nuit la chaleur stockée le jour. Il peut toutefois perdre une partie de son efficacité, au fil du temps, pendant les longues périodes de canicule, si la chaleur évacuée la nuit n'est pas suffisante notamment dans le sud de la France.

Il est à noter qu'en hiver, un puits canadien réchauffe le fluide caloporteur qui le traverse en libérant la chaleur qu'il a stockée. Il perd donc lui aussi une partie de son efficacité pendant les longues périodes hivernales de grand froid, car il ne dispose alors, contrairement au puits provençal, d'aucune source d'énergie active compensatoire et peut donc finir par se refroidir notamment dans le nord de la France ou en altitude.

Un puits climatique traditionnel peut être autodestructeur, en été comme en hiver

Un échangeur de VMC double flux ne court pas ce risque, car il ne fonctionne pas sur la base du potentiel de son inertie, mais sur l'énergie, en chaud ou froid, toujours récupérée proportionnellement au besoin sur l'air extrait. Le seul risque est une perte de performance liée à son état de propreté auquel il est facile de remédier.

L'efficacité d'un échangeur de VMC double flux est invariante au cours du temps

Vers une conception plus efficace en été

Dans le cadre d'une conception traditionnelle, les puits provençaux peuvent être autodestructeurs et, dans tous les cas, le potentiel de rafraîchissement de l'échangeur de la VMC, qui ne court pas ce risque, n'est pas utilisé. Le fait que des échangeurs de type différents ne soient pas commutables impose alors de vérifier une autre solution. C'est celle qui consiste à inverser l'ordre traditionnel de circulation de l'air entre le puits provençal et l'échangeur de la VMC. La nouvelle conception consiste à faire d'abord transiter l'air neuf par l'échangeur de la VMC double flux avant celui du puits provençal pourtant plus performant pour rafraîchir.

Au niveau des inconvénients de cette solution, la liste est courte. Puisque le seul intérêt d'un puits canadien est d'éviter le risque de gel, c'est seulement cet avantage qui est perdu. La plupart des VMC double flux peuvent toutefois pallier au problème avec différentes solutions qui nécessitent parfois, notamment lorsque les échangeurs sont les plus performants, le recours à l'énergie active d'une résistance électrique.

Les avantages, quant à eux, sont bien plus importants.

Lorsque la période est caniculaire avec un air extérieur à 40°C et une efficacité de 85% du puits provençal :

  • Dans la conception traditionnelle, l'air neuf est amené par le puits provençal à une température légèrement supérieure à 21°C quand le sol est à 18°C.
  • Dans la nouvelle conception, qui privilégie le confort d'été, l'air qui passe dans l'échangeur de la VMC, dont l'efficacité est de 90%, arrive au puits provençal avec une température inférieure à 27°C quand la température intérieure est de 25°C. L'écart avec le sol à 18°C n'étant plus que de 9°C, le puits provençal peut tout de même la baisser de pratiquement 8°C pour atteindre à peine plus de 19°C.

Dans cet exemple, le gain de performance de la nouvelle conception est proche de 10%. La chute importante de la puissance du puits provençal est plus que compensée par l'échangeur de la VMC qui trouve ainsi une utilité qu'il n'a pas dans la conception classique. De nombreux calculs permettent de conclure que la nouvelle conception présente systématiquement un gain de performance toujours compris entre 5 et 10%. Ce n'est pas le seul avantage puisque le fait de faire pénétrer de l'air moins chaud dans le puits provençal limite son risque de réchauffement et améliore donc son pouvoir de rafraîchissement. Le puits provençal est, de plus, nettement moins autodestructeur dans ces conditions.

Puissance et performance des puits provençaux

Cet exemple montre que même si la puissance du puits provençal est très affaiblie parce qu'il est situé après la VMC double flux, l'efficacité du couplage augmente, car l'air est finalement insufflé plus frais dans les locaux et que le risque de réchauffement du puits a fortement baissé. Contrairement au raisonnement habituel, l'augmentation de la performance du puits provençal ne va pas de pair avec l'augmentation de sa puissance. Elle dépend uniquement de l'ordre de couplage avec la VMC double flux.

Un puits provençal est d'autant plus efficace que la température est faible en entrée

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, 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 donc devenus totalement interdépendants et assure le meilleur rafraîchissement possible. L'efficacité globale de cette osmose entre les deux, difficile à quantifier sans STD (Simulation Thermo Dynamique) et variable suivant la conception et les performances de chacun, va bien au-delà du cumul des efficacités thermiques de chacun d'eux.

Mise en œuvre avec un puits aéraulique

Placer un puits provençal aéraulique après la VMC implique que sa conception doit être totalement différente de ce qu'elle est actuellement. L'entrée d'air ne doit pas être située sur une borne extérieure, tel qu'indiqué dans l'article "Conception traditionnelle des puits climatiques", en bout du réseau de canalisation du puits, mais à l'intérieur des locaux sur une connexion à la sortie de la VMC double flux. La sortie du puits provençal doit arriver en tête de réseau pour que l’air neuf rafraîchi puisse être distribué dans toutes les pièces principales. Le puits provençal, contreproductif en hiver, doit être impérativement équipé d'un by-pass à l'entrée du puits pour éviter que l'air ne le traverse pendant cette saison. Les défauts récurrents de cet équipement, tel que précisé dans l'article "Efficacité du couplage entre puits canadien et VMC double flux", laissent penser qu'un tel montage ne pourra pas être performant.

De plus, si un puits provençal est mis en œuvre, il est quand même dommage qu'il ne puisse pas aussi être utilisé pendant la saison hivernale pour limiter le risque de gel de l'échangeur de la VMC. Après recherche des différentes solutions possibles, cette idée doit être abandonnée, car elle est quasiment irréalisable du fait de la complexité du réseau intérieur à réaliser, du nombre de by-pass à mettre en œuvre et donc des risques de dysfonctionnement ainsi que du prix de sa réalisation en regard du faible avantage procuré seulement en terme d'économie minime d'énergie.

Les risques liés à la mise en œuvre des puits provençaux aérauliques précisés dans l'article "Conception traditionnelle des puits climatiques", de ceux liés à la piètre qualité fréquente de leur by-pass et à l'impossibilité de les mettre en œuvre à peu de frais en hiver impliquent que cette solution n'a que peu d'intérêt. Leur prix de réalisation est, de plus, bien trop élevé par rapport aux avantages qu'ils procure notamment en comparaison aux puits climatiques hydrauliques

Les infos et concepts Maison Passive

Mise en œuvre avec un puits hydraulique

Les puits climatiques hydrauliques, tel que précisé dans l'article "Conception traditionnelle des puits climatiques", présentent bien moins de risque de défaut de mise en œuvre que les puits climatiques aérauliques. Cette remarque devrait, à elle seule, être suffisamment importante pour que la solution aéraulique soit éliminée d'office, mais ce n'est, de plus, pas la seule raison.

Réaliser un puits climatique hydraulique suivant le nouveau concept, après la VMC double flux, implique simplement de déplacer la batterie de la prise d'air neuf de la VMC vers le départ de son réseau de distribution. Rien de plus simple.

Une autre solution consiste à garder celle située avant la VMC pour réduire les risques de gel en hiver et à en ajouter une autre après la VMC pour rafraîchir en été et limiter le risque de réchauffement du puits provençal. Il suffit alors d'une vanne à trois voies pour que l'eau glycolée suive le bon circuit en fonction de la saison. La mise en route du puits climatique hydraulique consiste à faire simplement circuler l'eau dans les conduits grâce à sa pompe. Un simple capteur de température sur l'air extérieur peut piloter son fonctionnement ainsi que celui de la vanne quand il y a risque de gel. Par mesure de sécurité, le puits canadien peut être activé lorsque la température extérieure descend seulement en dessous de 2°C. Un deuxième capteur de température sur l'air intérieur peut en faire de même en été, dès qu'apparaît un risque de surchauffe au-delà de 23°C ou de la température de consigne. Dans cette solution, le puits provençal peut muter en puits canadien à moindre frais. Alors qu'un fonctionnement mixte, en hiver et en été, est impossible avec un puits aéraulique post-VMC, il ne pose donc aucun problème avec un puits hydraulique.

De plus, les retours d'expérience montrent qu'un fonctionnement aussi simple évite les erreurs de réglage ou de manipulation et limite considérablement les risques de dysfonctionnement dus à une recherche trop pointue d'optimisation qui ne prendrait pas nécessairement en compte tous les paramètres et leur incidence, notamment ceux qui découle des conséquences de l'inertie.

La simplicité de fonctionnement des puits climatiques hydrauliques mixtes
limite les risques de dysfonctionnement


Optimisation de la température de la prise d'air neuf

Lorsque la température extérieure est inférieure à celle qui peut être obtenue à la sortie du puits provençal, l'échangeur de la VMC doit être bipassé mais le puits provençal ne doit en aucun cas être arrêté. Tant que les puits provençal est utile, 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 obligatoirement être équipée d'un by-pass automatique

Conclusion…

Puisqu'un puits climatique est bien plus performant en été qu'en hiver 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. Les puits provençaux doivent être systématiquement privilégiés aux puits canadiens. A l'opposé de leur conception traditionnelle et malgré le fait qu'ils sont plus efficaces que les VMC double flux en été, les puits provençaux doivent toujours être placés en second, après la VMC double flux pour améliorer le bilan global et être notamment plus efficace en période de canicule. Contrairement à des couplages d'échangeurs de même type qui peuvent être commutés sans changement du bilan global, des échangeurs de type différents ne peuvent pas l'être sans une forte incidence sur la performance globale qui peut aller jusqu'à produire un système contreproductif.

En été, dans un couplage optimisé entre un puits climatique et une VMC double flux
le puits provençal doit toujours être placé après la VMC

La mise en œuvre d'un puits canadien doit être limitée au cas où il ne s'agit que de l'extension à moindre coût d'un puits provençal. Un puits climatique doit être conçu pour la période estivale sans pouvoir être obligatoirement utilisable pendant la période hivernale.

Le puits climatique doit être hydraulique puisque cette technique est la seule qui puisse être optimisée en hiver comme en été et que, de plus, c'est la plus facile à réaliser, celle qui présente le moins de risque de défaut de fonctionnement, la plus facile à réguler et, cerise sur le gâteau, la moins couteuse.

Un puits provençal optimisé à usage mixte, en hiver comme en été, ne peut être qu'hydraulique

Même si la conception d'un puits provençal post-VMC double flux est plus efficace qu'une solution traditionnelle, le faible gain de performance, seulement acquis sur une faible puissance, ne change rien au fait qu'il est forcément bien plus adapté aux maisons passives qu'à toute autre parce qu'elles ne nécessitent, entre autre, que de faibles puissances.

En dehors de cet article, il semble qu'il n'existe pas, sur internet, d’information qui concerne la conception spécifique des puits climatiques hydrauliques placés à la sortie d'une VMC double flux pour améliorer le confort d'été. Un plagiat sera donc vite découvert… Plus sérieusement, une quantification et un suivi de projets d'architecture dans lesquels sera mis en place un puits provençal de ce type pourraient faire l'affaire de quelques étudiants en recherche d'un sujet d'étude…

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G.

En résumé, en été :

  • Un puits climatique doit être conçu pour la période estivale sans pouvoir être obligatoirement utilisable pendant la période hivernale
  • Un puits provençal optimisé à usage mixte ne peut être qu'hydraulique
  • L'échangeur d'une VMC double flux doit toujours être placé avant le puits provençal pour améliorer le bilan global et limiter le risque de réchauffement de ce dernier
  • Les puits provençaux 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


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