Puits Canadien

Le puit canadien, appelé aussi puits provençal, est un système géothermique dit de surface. Ce système sert surtout de climatisation naturelle. Il est basé sur le simple constat que la température du sol à 1 mètre 60 de profondeur est plus élevée que la température ambiante en hiver, et plus basse en été.

Principe

Utiliser l'inertie thermique du sol pour pré-traiter l'air ventilant des bâtiments. L'air ainsi obtenu est "meilleur", plus chaud en hiver et plus froid en été. La température du sol à 2 m de profondeur est d'environ 15° en été et 5° l'hiver (peut sensiblement varier en fonction du climat).

Mise en œuvre

Faire circuler l'air dans un tuyau enterré à environ deux mètres de profondeur (plus c'est profond, plus on se rapproche d'une température constante de 10°C (cf. Graphique)). Le flux est facilement maintenu grâce à un ventilateur. Les tuyaux ne doivent pas être d'un diamètre trop important afin de faciliter les échanges thermiques (+/- quinze centimètres de diamètre).

Ce système est encore, malheureusement, très insuffisamment utilisé, alors que son coût d'installation serait marginal s'il était prévu lors de la construction.

  • Technique de fabrication

Le dimensionnement d'un puits canadien ne peut se faire sans une approche globale de la ventilation de la maison.

Puits-canadien-ensemble.png

Schéma de principe du puits canadien combiné avec une ventilation mécanique contrôlée à récupération de chaleur double flux.

  • Précaution

La partie active des tuyaux enterrés ne sera pas placée sous la maison ni le long des fondations sous peine d'un "pompage" de la chaleur de la maison... et un effet totalement négatif (c'est la maison qui chauffe - ou rafraîchit - le puits !).

Qualité de l'air

L'objectif est d'éviter les pollutions qui pourraient résulter du système (odeurs, humidité, bactéries, ...).

Voici donc quelques recommandations :

  • Dans les régions granitiques, une attention particulière sera faite à la problématique du radon.
  • Utilisez pour l'entrée du puits canadien un matériau faiblement émissif (vapeur, odeur, …). Ex: aluminium, tôle, …
  • Protégez au minimum l'entrée à l'aide d'une grille fine, pour éviter que des animaux n'y pénètrent (rongeurs, moustiques, …)
  • Si vous optez pour un filtre (2-5 mm), pensez à l'entretien régulier de ce dernier tous les 4 mois. La pratique veut que la filtration soit de plus en plus fine depuis l'extérieur vers l'intérieur.
  • Placez l'entrée à une hauteur suffisante (1,20 m) pour éviter d'aspirer de la poussière, et loin des sources de pollution (route, compost, …)
  • L'entrée doit être accessible pour le nettoyage.
  • Ne placez pas l'entrée au milieu de plantes vertes.
  • Avant la première mise en route, nettoyez le tuyau et ainsi contrôlez l'écoulement et du surplus d'eau.

Choix du tuyau

Type de tuyaux :

  • Polychlorure de vinyle (PVC) : le moins cher, pas très écologique. Il peut "éventuellement" dégager des vapeurs nocives dues au mode de fabrication. Pas d'étude connue à ce jour dans le cadre du puits canadien.
  • Polyéthylène (PE) : le plus écologique à prix équivalent au PVC.
  • Polypropylène (PP) : légèrement moins conductible au niveau thermique mais beaucoup plus rigide que le PE, la faible épaisseur du tuyau en PP permets un bon échange thermique en gardant une rigidité longitudinale élevé. Ceci évite la création de points bas dans les conduites, évitant toute stagnation d'eau de condensats.
  • Tuyau annelé de protection de câbles électriques (TPC) : très bon marché pour des petits diamètres. Annelé à l'extérieur, mais lisse à l'intérieur. Ils peuvent être posés en parallèle. Attention toutefois : ce type de tuyau n'est pas prévu à l'origine pour être enterré à forte profondeur, ce qui peut nuire à leur tenue dans le temps. De plus l'annelé, formant une couche d'air entre les deux parois, est plus un isolant thermique qu'un conducteur.
  • Tuyaux de terre cuite : utilisé pour des diamètres de 150 à 300 mm. Les raccords sont faciles à étanchéifier car avec des joints prévus à cet effet (EPDM). L'échange thermique est plus important (la conductivité de la terre cuite est plus élevée que celle des tuyaux en plastique, relativement isolants). Le principal problème de ce type de tuyau est une mise en œuvre qui doit être particulièrement soignée. La robustesse de ces tubes permet d'enfouir les tubes à 3 mètres de profondeur et donc d'avoir des performances beaucoup plus élevées (delta de 15°C ).Les condensats sont quasi inexistants avec ces tubes donc ils évitent les bactéries pathogènes et les moisissures.Le radon du sol s'il y en a, ne peut pas s'infiltrer dans le tuyau, et aller contaminer ensuite la maison, grâce aux joints performants.
  • Tuyaux en fonte ductile : sa rigidité, sa résistance mécanique (charges, racines, Etc.) et sa capacité thermique élevée font de ce matériau une solution idéale pour un puits canadien. Il faut veiller à ce que le revêtement extérieur du tuyau résiste à la corrosion (type zingage anti-corrosion classique), ainsi qu'à l'utilisation de joints en élastomère assurant une excellente étanchéité des assemblages. C'est un matériau noble et durable. Un système dédié utilisant ce matériau est aujourd'hui disponible, présentant des garanties sur la qualité de l'air.

Conseils

  • Le tuyau doit avoir une stabilité suffisante pour supporter l'enfouissement dans la terre. Par exemple, prendre une classe CR8 pour du PVC.
  • Le PVC est à écarter pour la raison simple que la craie contenue dans le PVC empêche l'échange thermique. Les bricolages avec de la gaine TPC sont également à bannir, car l'intérieur n'est pas parfaitement lisse et constitue un nid pour bactéries (odeurs). En faible épaisseur (bon échange thermique). Mais à 2 m de profondeur, la garantie d'un système pro qui ne transforme pas la maison en étable au bout de quelques mois vaut de payer dix fois le bricolage incompétent !

Néanmoins attention aux adjuvants de ce type suspectés de favoriser la résistance bactérienne !!! Tout le contraire de ce qu'il faut dans un puits canadien, destiné à durer !!! (Directive BPD Biocidal Product Directive).

  • L'étanchéité est également importante pour éviter l'infiltration des eaux souterraines et la propagation de bactéries. Veiller particulièrement aux raccords entre les différents tuyaux et privilégier des raccords à joints à lèvres, type assainissement. Ne pas coller les raccords pour éviter le risque de rupture lors du remblai et surtout le risque de dégagement de vapeur nocive due aux colles.
  • Le matériau utilisé ne doit pas dégager de vapeur nocive comme cela peut être le cas du PVC par exemple lorsqu'il est soumis à des températures élevées (> 30°).
  • Le tuyau sera de préférence lisse à l'intérieur pour diminuer les pertes de charge et rester en régime laminaire. Pour l'extérieur, privilégier les tuyaux annelés pour augmenter l'échange thermique entre le sol et le tuyau.

Remarque corrective : à moins d'avoir de petits diamètres et de petites vitesses, le régime d'écoulement dans un tuyau n'est pas laminaire. Cela n'est pas souhaité dans le cas des puits canadiens. Le régime n'est donc pas laminaire. Un bon moyen de s'en rendre compte est de calculer le nombre de Reynolds (nombre qui permet de caractériser le régime d'écoulement). Il est important de savoir que les transferts thermiques sont plus élevés avec un écoulement turbulent qu'avec un écoulement laminaire. En outre, les pertes de charge en régime laminaire ne sont pas nécessairement plus faibles qu'en régime turbulent.

D'autre part, à flux égal, pour augmenter la surface d'échange thermique, il est préférable d'employer plusieurs tuyaux de petit diamètre qu'un seul tuyau de gros diamètre. Les tuyaux devront être le plus possible séparés les uns des autres dans la tranchée. Exemple :

Un tuyau de 20 cm de diamètre a une section de 0,031 m2 et une surface d'échange thermique de 0,63 m2 par mètre linéaire. Pour le même débit, à vitesse de flux égale, il faudrait 5 tuyaux de 9 cm de diamètre. Ces 5 tuyaux présenteront une surface d'échange thermique de 1,41 m2 par mètre linéaire, soit plus du double que le tuyau de 20 cm de diamètre.

Remarques complémentaires :

  • Dans les régions sans radon, avec des périodes de gel pas très intenses, ce qui est le cas de la Provence, les tuyaux pourraient être en terre cuite, comme par le passé. Il se produit alors un échange entre le tuyau et l'air circulant qui rééquilibre l'hygrométrie de l'air. Trop sec par période de grand froid, ou de grandes chaleurs, humide en automne quand le sol n'est pas encore chargé d'eau. Il reste à trouver un fournisseur de ces tuyaux à l'ancienne.
  • nature du sol : L'expérience a montré que les sols rocheux ont une plus grande efficacité thermique, ce qui va compenser les difficultés de mise en œuvre, et ne doit donc pas faire renoncer. Il faut aussi savoir que le sol au-dessus des puits reste froid plus longtemps au printemps, et que la zone ne doit pas être utilisée comme jardin de primeurs.

Évacuation des condensats

En particulier l'été, lorsque l'air se refroidit, de l'eau peut se condenser. Il convient d'évacuer ces condensats. Mais il est rare d'en observer, car l'air se recharge très vite en humidité.

Finalement, le puits canadien est un amortisseur de température et d'humidité.

Puits-canadien-siphon.png

Quelques possibilités :

  1. Ce système permet une étanchéité parfaite depuis l'entrée de l'air jusqu'au système de ventilation. Cette solution est à privilégier dans les régions à forte concentration de gaz radon dans le sol (voir chapitre Radon) ou si votre sol est très humide (sources, nappes souterraines, ...).
  2. Dans le cas d'une maison sans cave, les condensats peuvent être récoltés dans un regard placé au niveau du point bas. Ce regard permettra également d'inspecter visuellement le tuyau pour y déceler d’éventuels problèmes.
  3. Une autre solution pour une maison sans cave est de placer un tuyau plus profond sur un lit de cailloux pour permettre l'infiltration des condensats dans le sol.

Détail du siphon : Le passage de l'air va avoir tendance à assécher le siphon. Un système simple consiste à placer un tuyau dans un récipient rempli d'eau. Une contenance suffisante en fonction du débit va éviter que le siphon ne se dessèche. L'excédent peut être évacué dans un écoulement des eaux usées. Attention à placer un deuxième siphon dans ce cas pour éviter d'aspirer des mauvaises odeurs.

Concernant le Radon

Le radon est un gaz radioactif d'origine naturelle. Il provient de la désintégration de l'uranium et du radium présents dans la croûte terrestre. Il est présent partout à la surface de la planète et provient surtout des sous-sols granitiques et volcaniques ainsi que de certains matériaux de construction. Le radon peut s'accumuler dans les espaces clos, et notamment dans les maisons. Les moyens pour diminuer les concentrations de radon dans les maisons sont simples :

  • aérer et ventiler les maisons, les sous-sols et les vides sanitaires;
  • améliorer l'étanchéité des murs et des planchers.

Dans les 31 départements les plus concernés, les autorités locales doivent faire procéder à un dépistage de ce gaz radioactif dans certains lieux ouverts au public pour des séjours prolongés (en particulier, les établissements d'enseignement et les établissements sanitaires et sociaux). Allier, Ariège, Hautes-Alpes, Ardèche, Aveyron, Calvados, Cantal, Corrèze, Corse-du-Sud, Haute-Corse, Côtes-d'Armor, Creuse, Doubs, Finistère, Indre, Loire, Haute-Loire, Lozère, Haute-Marne, Morbihan, Nièvre, Puy-de-Dôme, Hautes-Pyrénées, Rhône, Saône-et-Loire, Savoie, Haute-Saône, Deux-Sèvres, Haute-Vienne, Vosges, Territoire de Belfort.

Le Radon peut être insufflé dans la maison à l'aide du puits canadien si le tuyau, apportant l'air depuis l'extérieur, n'est pas étanche.

Recommandations: utilisez plusieurs longueurs de gaine de protection pour câbles électriques (lisse à l'intérieur) diamètre 160 mm ou 110 mm en longueurs de 25m pour éviter les raccords. Une attention particulière doit être portée à l'enrobage du tuyau avec de la terre pour éviter les cavités où le Radon pourrait se loger.

Puits-canadien-radon-pose-conduit.png

Par mesure de précaution, effectuez une mesure de Radon sur plusieurs semaines dans la maison à l'aide d'un dosimètre qui sera analysé par un laboratoire (20-40 €) Voir plus bas.

Différentes possibilités de pose des tuyaux

Toutes les configurations sont envisageables, mais il faut garder à l'esprit que moins il y aura de coudes, moins grandes seront les pertes de charge, et de ce fait la puissance du ventilateur sera également réduite. La pose du tuyau s'effectuera en fonction de la configuration du terrain.

Recommandations :

  1. Lors de la conception, évitez coudes et angles.
  2. Une pente de min 2% dans le sens de l'aspiration pour l'évacuation des condensats.
  3. En cas de présence d'une forte concentration de Radon dans le sol, seule une solution étanche sera envisageable.
  4. Gardez une distance suffisante entre les différents tuyaux. (Min 0.8 m)

Note sur les pertes de charges :

Comme déjà indiqué plus haut les écoulements turbulents génèrent de meilleurs échanges thermiques dans les tuyaux. Ils peuvent donc être à privilégier, mais alors au prix d'une perte de charges plus importante (au moins légèrement).

Cette perte peut être compensée grâce aux vents. Il suffit que la bouche d'aspiration soit montée sur un système rotatif (comme une girouette) qui dirige l'entrée d'air face aux vents. Ceci se fait à l'aide d'ailette de la forme d'un ">" où l'ouverture se trouve vers la pointe. En utilisant le même système mais avec la sortie dos au vent on obtient une aide à l'extraction de l'air vicié.

Les deux pouvant être cumulés sur le même système rotatif :

>>>>>> sens du vent >>>>>>

Entrée air frais < Sortie air vicié

>>>>>> sens du vent >>>>>>

Dimensionnement du puits canadien

Calculs

Le calcul d'un puits canadien est fonction de plusieurs paramètres. Voici les principaux :

  1. Le volume de la maison
  2. Le débit nécessaire en hiver et en été
  3. Le choix de la ventilation de la maison (VMC, aération naturelle, …)
  4. L'architecture (bioclimatiquematériauxisolationserre, …)
  5. La nature du sol (sablonneux, argileuxnappe phréatique, …)
  6. La place disponible pour l'enfouissement du tuyau
  7. La localisation géographique
  8. Le budget

Hypothèses

L'idée de cet article est de vous donner les clefs pour pouvoir déduire la solution idéale pour votre configuration à partir de l'exemple décrit ci-dessous.

Il s'agit d'une construction : ossature bois bioclimatique avec des matériaux sains. L'isolation est de 18 cm en granulés de liège pour les murs et de 24 cm de laine de lin pour les combles. La maison a été conçue pour profiter au maximum des apports passifs du soleil. Un capteur solaire de 20 m2 accouplé à un ballon de 2000l pour l'hydro-accumulation prend en charge le chauffage de la maison ainsi que l'eau chaude sanitaire. L'appoint est une chaudière à plaquettes. La respiration des murs est garantie par le choix des matériaux respirant tel que Fermacell, pare-vapeur, liège, OSB et bardage Mélèze. Un soin particulier a été apporté à l'étanchéité de l'ensemble pour éviter les pertes d'énergies. De ce fait, le choix s'est porté sur une ventilation double flux pour assurer un échange d'air et d'humidité réguliers et permanents de l'ensemble de la maison en récupérant l'énergie refoulée par la ventilation. Le volume de la maison est de 800 m3 environ et l'air sera renouvelé toutes les 3 à 4 heures, soit 240 m3/h de besoin d'apport d'air de l'extérieur.

Trois modes de fonctionnement

  1. En hiver : L'objectif est de réchauffer l'air avant qu'il n'entre dans la maison. Pour obtenir le maximum d'échange thermique l'air devra circuler à une vitesse de 1 m/s environ.
  2. En été : L'objectif est de rafraîchir au maximum la maison en cas de forte chaleur. La maison bioclimatique a été conçue pour gérer au maximum l'apport passif du soleil par les baies vitrées et donc de créer des zones ombragées pour éviter un apport calorifique important en journée (store extérieur, plantation au sud, …). Le puits canadien ne vient qu'en complément à toutes ces mesures. Pour obtenir le maximum d'efficacité, le débit de l'air devra être plus important pour renouveler l'ensemble de l'air de la maison toutes les 2 heures.
  3. En inter-saison : La température de confort est comprise entre 18 et 22° et le système sera déconnecté en cas de besoin par une dérivation pour ne pas rafraichir la maison alors que la température extérieure est proche de la température de confort.

Calculs : Le logiciel GAEA a été utilisé pour optimiser l'installation, en voici certains résultats :

Constantes :

  1. Volume de la maison 800 m3
  2. Température consigne 20°
  3. Température de la dérivation 18° et 25°
  4. 1 tuyau de 50 m en PE (polyéthylène) diamètre de 184mm (Int) à 1,9m de profondeur
  5. Pour obtenir la somme des pertes de charge, il faut additionner la perte de charge pour chaque élément du circuit (voir abaques du fournisseur en fonction du débit)
Débit (m3/h) Renouvellement de l'air (?/h) Pertes de charge Pa(seulement pour puits canadien) Puissance ventilateur (Watt)
240 0,3 75,80 8,42
320 0,4 93,13 13,80
400 0,5 114,27 21,16
560 0,7 167,38 43,40
800 1 272,50 100,93

Le tableau ci-dessus permet de vérifier que pour un tuyau de 50m de long avec un diamètre de 184, pour un débit de 240 m3/h la perte de charge est de seulement 75,80 Pa. La puissance du ventilateur est d'autant plus élevée que le débit est important. Comme vous pouvez le constater, on passe de 8,42 Watts à 100 Watts, avec un débit, seulement 3 fois supérieur.

Débit (m3/h) Réchauffement de l'air(Kwh/a) Rafraîchissement de l'air(Kwh/a) Heures de fonctionnement (heures par an) T sortie min (hiver) pour T entrée (-12,7) T sortie max (été) pour T entrée (31,7)
240 1830 258 4607 1,7 17,9
320 2226 340,9 4648 0,3 19,2
400 2560 401,8 4683 -0,9 20,3
560 3119 484,1 4754 -2,6 22
800 3848 548,3 4930 -4,4 24

En fonction du débit, le réchauffement ou le refroidissement de l'air permettra de dégager un apport énergétique plus ou moins important. Mais cet apport se fera au détriment de la puissance du ventilateur, comme le souligne le tableau précédent. Il va falloir trouver le juste-milieu entre un investissement plus important et un apport énergétique un peu inférieur. Étant donné que le ventilateur dispose souvent de 2 vitesses, pour ma part, je fais le choix d'un débit de 240 m3/h pour l'hiver et un débit de 400 m3/h l'été.

Le logiciel permet également de simuler différentes autres solutions pour le choix des échangeurs ainsi que de simuler les aspects économiques de votre installation. Une fois de plus la nature nous apprend que tous les éléments dont nous avons besoin pour notre bien-être sont à portée de main.

Alternatives

Il existe d'autres systèmes très proches du puits canadien :

Le tunnel de galets

Le principe consiste à insuffler de l’air chaud dans un tunnels de galets profondément enterré pour obtenir un déphasage de 3 à 4 mois, car l’onde de chaleur se déplace lentement dans le sol, environ de 0.80 m par mois.

Ce procédé est très peu couteux, et simple à réaliser. Une seule précaution basique cependant, vérifier si la réalisation de la tranchée est sans danger pour le bâti et ses fondations. Une réalisation en rénovation est très facilement envisageable en mettant le tunnel sous la véranda.

  • 1) FONCTIONNEMENT DE PRINTEMPS ET D'ETE = Stockage et climatisation.
    • 1a) stockage : les jours (même nuageux) sont ensoleillés, ce qui permet de puiser l’air chaud dans la partie haute d’une véranda, et de l’insuffler dans le stockage profond placé sous la véranda ou sous la maison.
    • 1b) climatisation : l’été, quand il a fait trop chaud, la ventilation simple flux est utilisée en direct pour tempérer la maison avec l’air nocturne, plus frais.
  • 2) FONCTIONNEMENT EN AUTOMNE ET EN HIVER = déstockage et chauffage direct
    • 2a) chauffage direct : la véranda par journées ensoleillées ou faiblement nuageuse, permet de tempérer la maison en insufflation directe.
    • 2b) déstockage : par journées froides ou nuageuses, on insuffle l’air de la véranda dans les galets pour le réchauffer.

L’utilisation des galets 40/80 permet d’augmenter considérablement la surface d’échange comparée à un puits canadien qui n’est qu’un tuyau lisse.

Il n’y a pas de risque de prolifération bactérienne car l’insufflation de l’air à 60°C l’interdit. La mise en pression évite également d’absorber le radon. Le bidim qui entoure le stock de galets permet d’éliminer l’humidité.

Constitution du stock : les galets entourent un tube de fort diamètre (200 à 250 mm), strié de fentes. Les galets sont enterrés à 2,50 m de profondeur, sur un hauteur de 0.60 m, et sur la largeur du godet de la pelleteuse (0.60 x 0.60), puis recouverts de 2.10 m de terre.

Dimension d’une tranchée : 4 x 0.60 x 2.50.

Toujours préférer des petites longueurs pour limiter les pertes de charges.

Les tranchées peuvent être multiples. Elle sont alors parallèles entre elles pour augmenter l’inertie thermique du capteur qui compte alors la partie médiane : plus grande capacité à emmagasiner, puis à restituer la chaleur.

A la construction, il est préférable de mettre ces tranchées sous la maison : les pertes latérales de chaleur profiteront toujours à la maison dans son ensemble.

Dans le cas d’une maison déjà construite, la construction d’une véranda permet la réalisation des tranchées le long de la maison. L’isolation verticale se limite à la partie externe de la tranchée.

Source : http://forum.apper-solaire.org/viewtopic.php?p=18556&sid=14747b0bb94b41f13d43bd8a87da7a1e

Puits canadien à échangeur eau-air

Des tuyaux remplis d'un liquide avec un antigel prennent la température stable du sol, et réchauffent ou refroidissent l'air entrant. Attention, ce n'est pas une pompe à chaleur, il n'y a pas de cycle de compression/détente ! L'inconvénient majeur de ce système est le faible rendement Coefficient de performance (COP) < 4 car en plus du ventilateur, la pompe de circulation va consommer un nombre important de kWh. Ce système n'est à conseiller que lorsque le puits canadien traditionnel n'est pas envisageable. Voila un nouveau système de puits canadien : (source: www.construire-sain.com)

Exemples :

http://www.construire-sain.com/nedair.htm En fait, plutôt que faire passer l'air dans le sol pour le tempérer (préchauffer en hiver, refroidir en été), on tempère de l'eau, qui elle-même tempère l'air pompé à l'extérieur.

Puit can eau.jpg

 

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