Le puits climatique

 Le puits climatique
Principe et conditions d’utilisation Dossier de veille réalisé par Energie Information services Le puits climatique • • • Energie
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Le puits climatique
Principe et conditions d’utilisation • • • Energie Information 1) Principe et composants
Services (EIS) est une Le puits climatique est encore appelé : puits canadien, puits entreprise, créée en provençal, ventilation géothermique, etc. 2009, par trois bureaux 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. 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 Il s’agit, à la base, d’une récupération « douce » et peu dans le secteur du consommatrice d’énergie mécanique, à distinguer d’un transfert bâtiment. de type thermodynamique mettant en œuvre des dispositifs plus Sa mission est la consommateurs d’énergie mais en contrepartie plus « puissants » fourniture de services en terme d’énergie restituée, en chaud ou en froid, par rapport à de collecte, de un puits climatique. diffusion Le puits climatique permet de préchauffer ou rafraîchir l’air introduit dans la maison ou le bâtiment. d’information et de veille sur les aspects innovants du bâtiment Ce dossier s’intéresse prioritairement au puits climatique à et des équipements. « air », qui est le plus courant, et qui est plus simple dans sa Energie Information 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 services développe également des activités de formation configurations sont a priori plus variées, on peut moins Pierre Nolay facilement en tirer des enseignements généraux. Gérant Le schéma ci-­‐‑dessous illustre le principe du puits climatique : 1) Principe et composants Ÿ 1 Le puits climatique • • • (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 Ÿ 2 Le puits climatique • • • 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 m3/h (environ 300 m3/h en été et 100 m3/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 Ÿ 3 Le puits climatique • • • •
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 Ÿ 4 Le puits climatique • • • 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 m3/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 m3/h hygiénique à 300 m3/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 Ÿ 5 Le puits climatique • • • Heure
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Text
21,9
19,5
18,2
17,6
16,4
16,4
15,7
15,8
20,3
23,8
24,8
27,4
29,4
31,4
32,9
33,8
34,9
34,6
33,8
32,5
29,6
28,1
24,9
22,8
Tsortie puits
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
18
19
20
21
21
22
22
22
22
21
20
19
18
18
Tint
24
23
22
22
22
22
22
22
23
24
24
25
25
25
26
27
27
27
27
26
25
25
24
24
Hypothèse :
20
Jours « chauds »
60
Jours « ½ chauds »
Gain saison :
prix du kWh « froid » :
Été : jour « chaud » (10/07/2012)
Puits on/off Tsouffl DF Tsouffl DF+Puits
1
21,9
18,0
1
19,5
18,0
1
18,2
18,0
0
17,6
17,6
0
16,4
16,4
0
16,4
16,4
0
15,7
15,7
0
15,8
15,8
1
20,3
18,0
1
23,8
18,0
1
24,3
18,0
1
26,0
19,0
1
26,8
20,0
1
27,6
21,0
1
28,8
21,0
1
29,7
22,0
1
30,2
22,0
1
30,0
22,0
1
29,7
22,0
1
28,6
21,0
1
26,8
20,0
1
26,2
19,0
1
24,4
18,0
1
22,8
18,0
Gain total
230
344
574
25
kWh
kWh
kWh
€
0,043
€/kWh
Rafraîch. sans Puits
Rafraîch. avec Puits
214
612
357
510
388
408
449
449
571
571
571
571
643
643
632
632
275
510
20
612
-33
612
-98
612
-180
510
-261
408
-282
510
-277
510
-322
510
-310
510
-277
510
-265
510
-188
510
-126
612
-37
612
122
612
1587
13066
Gain Puits/DF :
11479
Wh
(ex. clim PAC, EER = 3)
Heure
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Text
-1,4
-0,7
-1,1
-0,4
-0,5
-1,9
-3,1
-4,6
-4,6
-2,8
-0,6
3,3
4,6
7,1
9,8
8,5
9,4
8,9
7,2
6
5,2
3,3
2,9
1,7
Tint
18
18
18
18
18
18
18
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
18
18
Hypothèse :
50
Jours « froids »
70
Jours « ½ froids »
Gain saison :
prix du kWh :
Tsortie puits
9
10
9
10
10
9
8
7
7
8
10
11
11
12
13
13
13
13
12
12
11
11
11
10
Puits on/off
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Gain total
132
184
316
41
kWh
kWh
kWh
€
0,13
€/kWh
Hiver : jour « froid » (14/02/2013)
Tsouffl DF Tsouffl DF+Puits Pertes RA sans puits Pertes
10,2
14,4
264
10,5
14,8
254
10,4
14,4
260
10,6
14,8
250
10,6
14,8
252
10,0
14,4
271
9,6
14
287
10,2
14,8
335
10,2
14,8
335
10,9
15,2
310
11,8
16
280
13,3
16,4
227
13,8
16,4
209
14,8
16,8
175
15,9
17,2
139
15,4
17,2
156
15,8
17,2
144
15,6
17,2
151
14,9
16,8
174
14,4
16,8
190
14,1
16,4
201
13,3
16,4
227
12,0
15,2
205
11,5
14,8
222
5519
Gain Puits/DF :
2636
Wh
RA avec puits
122
109
122
109
109
122
136
177
177
163
136
122
122
109
95
95
95
95
109
109
122
122
95
109
2883
(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 Ÿ 6 Le puits climatique • • • 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 :
20
Jours « chauds »
60
Jours « ½ chauds »
Gain saison :
prix du kWh « froid » :
Gain total
190
285
474
21
kWh
kWh
kWh
€
0,043
€/kWh
(ex. clim PAC, EER = 3)
Saison « hiver » : Hypothèse :
50
Jours « froids »
70
Jours « ½ froids »
Gain saison :
prix du kWh :
Gain total
33
46
79
10
kWh
kWh
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 2500 €. 3) Réalisation, coût, entretien Ÿ 7 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 1400 €. (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 Ÿ 8 Le puits climatique • • • 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 4000 €. 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 7000 €. 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 : http://www.aldes.fr EOLE : http://www.eole-­‐fr.com ATLANTIC : http://www.atlantic.fr FRANCE-­‐‑AIR : http://www.france-­‐air.com HELIOS : http://www.helios-­‐fr.com UNELVENT : http://www.unelvent.com FIABITAT CONCEPT : http://www.fiabitat.com REHAU : http://www.rehau.fr 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 Ÿ 9 Le puits climatique • • • •
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 Ÿ 10 Le puits climatique • • • 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 : http://www2.ademe.fr « Les puits canadiens/provençaux – Guide d’information », CETIAT, 2008. Disponible en téléchargement sur : http://ww.cetiat.fr « Le puits canadien à la loupe », FIABITAT Concept, 2009. Disponible en téléchargement sur : http://www.fiabitat.com Documents de référence Ÿ 11