Le dimensionnement d'un puits canadien est assez délicat du fait du nombre de paramètres à optimiser : longueur, diamètre et nombre de tubes, profondeur d'enfouissement, distance entre les tubes, débit de ventilation. Les élèments de dimensionnement présentés ici ont pour but de proposer des critères objectifs pour le choix de ces différentes caractéristiques.

Ce travail est basé sur des simulations numériques d'échange thermique par convection forcée dans un tube enterré. Ceci permet de mettre en évidence l'effet du diamètre, de la longueur, du débit volumétrique de la différence de température entre le sol et l'air entrant sur le flux thermique fourni par le puits canadien. Dans un second temps, nous présentons des simulations de flux annuel en fonction de la profondeur d'enfouissement de la gaine. Ceci permet de mettre en évidence les périodes d'apport de chaleur et/ou de fraîcheur au cours de l'année et la nécessité de coupure aux intersaisons. Enfin nous donnons quelques éléments pour le calcul des pertes charge aérauliques.

Flux thermique en fonction de la longueur, du débit et du diamètre de la gaine

La figure 1 montre le flux thermique récupérable pour une température du sol de 11 °C et une température de l'air de -5 °C en fonction de la longueur de gaine, du diamètre de la gaine (de 50 à 250 mm de diamètre par pas de 50 mm) et du débit d'air.

Chaque courbe atteint de manière asymptotique un palier qui représente le flux maximal récupérable, étant donnée la différence de température air/sol. Le diamètre de la gaine influe essentiellement sur la longueur de gaine nécessaire pour atteindre le palier. Plus le diamètre est petit, plus la longueur nécessaire est faible . La valeur de ce palier est uniquement déterminée par le débit volumique de l'air. Nous verrons cet effet plus en détail dans le paragraphe suivant.

La Figure 2 montre le flux thermique récupérable en fonction de la différence de température air/sol et du débit volumique. Pour les périodes où la température du sol est supérieure à celle de l'air, le flux est positif (réchauffement du bâtiment) Dans le cas contraire, le flux est négatif (rafraîchissement du bâtiment). On observe que le flux thermique augmente avec la différence de température sol/air et avec le débit.

La Figure 3 montre l'évolution de la différence de température entre l'air extérieur et le sol au cours de l'année, pour différentes profondeurs d'enfouissement de la gaine. Plus la différence de température entre l'air de surface et le sol est élevée, plus le flux thermique apporté par un puits canadien est important. Cette différence évolue au cours de l'année et avec la profondeur d'enfouissement du sol.

Flux thermique annuel

A partir de la différence de température entre l'air extérieur et le sol, nous avons calculé le flux thermique récupérable au cours de l'année pour différentes profondeurs. Le flux thermique été considéré constant par durée de 1h. La Figure 4 montre l'évolution annuelle de la quantité de chaleur échangée entre l'air et le sol, pour une gaine de diamètre 100 et une longueur de gaine de 30 m. L'énergie échangée est exprimée en Wh. Nous avons considéré une période de chauffe du 15 octobre au 15 avril ainsi qu'une période de rafraîchissement du 15 juin au 15 août.

Il est intéressant de noter que durant les intersaisons (début du printemps et début de l'automne), le flux récupérable est négatif alors qu'il n'est pas nécessaire de rafraîchir le bâtiment ; au contraire, ces périodes nécessitent de conserver la chaleur dans le bâtiment. Il est donc préférable d'arrêter le fonctionnement de l'échangeur pendant ces périodes.

Coupler un puits canadien avec une VMC ou une VMC double flux ?

La figure 5 montre les gains thermiques annuels qu'il est possible d'obtenir avec différents systèmes de ventilation.

Figure 5 : Comparaison du gain énergétique d’une ventilation double flux (VDF), un puits canadien (PC, prof.=2.5 m, L=30 m), et d’une ventilation double flux avec entrée d’air prise sur le puits canadien (VDF+PC). Pour ce dernier cas on précise l’apport de la VDF seule.

L’ensemble des courbes correspond à un débit d’air de 90 m3/h.

Le gain de chauffe annuel est donné par rapport à une ventilation mécanique de 90m3/h avec prise d’air extérieur.

Le débit dans tous les cas est de 90 m3/h et le rendement de la VMC double flux est de 70 %. La consigne de température intérieure est de 20 ° (également pour l'été). Si nous ne tenons compte que des apports thermiques, la VMC double flux est le système le plus efficace pour réduire les besoins de chauffage. Mais, ses capacités de rafraichissement l'été sont bien moindres que celles d'un puits canadien. Quant à l'utilisation d'un puits canadien comme entrée d'air d'une VMC double flux, ce couplage fait perdre de l'efficacité de la VMC double flux en hiver et des capacités de rafraichissement du puits canadien en été. Le couplage VMC simple flux et puits canadien reste une solution peu couteuse, permettant de réduire de manière significative les déperditions liées à la ventilation, et d'apporter un rafraichissement notable en été (de l'ordre de 3 à 4°).

Puits canadien : un moyen de réduire les déperditions induites par la ventilation.

Si le puits canadien permet d'abaisser la température intérieure d'un batiment de quelques degrés en été et donc d'accroitre le confort, il permet aussi de réduire les déperditions liées à la ventilation. Comparé à une ventilation par simple-flux classique, pour un même débit de ventilation, il permet donc de réduire les besoins en chauffage d'un batiment. Le tableau suivant estime le gain de chauffage apporté par un puits canadien en fonction de la profondeur d'enfouissement des gaines, du diamètre des gaines et du débit de ventilation.

Pour un besoin de 120 m3/h de ventilation, si j'installe : * 1 gaine de 50 m, diam = 10 cm, profondeur = 2 m, la réduction des déperditions résultant de la ventilation et donc la réduction des besoins de chauffe est de 834 KWh (perte de charge : 270 Pa) * 2 gaines de 25 m, diam et profondeur identiques, le "gain" thermique est de 2 * 375 = 750 kWh (perte de charge = 69.5 Pa)

Ces résultats montrent que la perte de charge augmente sensiblement avec le débit et, dans des proportions beaucoup plus importantes, diminue avec le diamètre de gaine. La perte de charge admissible sera déterminée par la capacité du système de ventilation utilisé (dépression maximale en fonction du débit). Par ailleurs, il est conseillé de ne pas dépasser une vitesse de 5 m/s pour éviter les bruits d’écoulement.

La question du remblai des gaines du puits canadien

Les règles de l'art veulent qu'une gaine enterrée sous terre soit disposée sur un lit de sable ou de terre fine d'une hauteur minimale de 10 cm. Le fond de fouille doit être exempt de roches, de vestiges de maçonnerie et d'affleurement de points durs. La zone d'enrobage doit de préférence être constituée des mêmes matériaux que le lit de pose. Elle est effectuée par couches successives soigneusement damées, pour recouvrir d'au moins 10 cm la génératrice supérieure du tube. Le compactage doit être réalisé exclusivement sur les parties latérales de la tranchée, hors de la zone occupée par le tube, afin d'obtenir un calage efficace des flancs de la canalisation.

Se pose dès lors la question de la conductivité thermique du materiau constituant le lit et l'enrobage. Est-il thermiquement préférable de remblayer avec le terrain naturel débarrassé des graves ou du sable? Quel matériau permet d'assurer un bon échange thermique et donc un bon fonctionnement du puits canadien ?

Le graphique ci-contre, extrait de la thèse de Hollmuller P. (2002), montre la conductivité thermique de différents matériaux en fonction de leur teneur en eau. En abscisse, l'on peut lire la proportion volumique d'eau dans le terrain. En ordonnée, la conductivité. On constate que pour une teneur en eau trés faible, l'ensemble des matériaux a une conductivité faible et relativement proche. Dans le cas du sable et du limon, elle augmente de manière importante avec la teneur en eau. Or, une conductivité elevée assure un bon échange thermique et donc un bon fonctionnement du puits canadien. L'utilisation du sable recommandée par le DTU apparait donc être une bonne solution d'un point de vue thermique.

Que préconisent les fabricants de gaines ?

Pour la gaine Hekatherm (Hegler), la plaquette précise :"il est intéressant d’utiliser un matériaux de remblaiement comportant un grand pourcentage de fines retenant bien l’eau", et plus loin "la tranchée doit être suffisamment profonde pour permettre un lit de pose de 10 cm tout en respectant la pente.....L’enrobage doit être réalisé avec un sable 0/4." Lien vers la plaquette

Pour la gaine Rehau, les préconisations sont différentes. On peut en effet lire "Eviter la mise en place de sable dans la zone d’enrobage et le lit de pose afin d’obtenir un transfert thermique optimal". Lien vers la plaquette

Pour la gaine en grès Euroceramic, les prescriptions de pose sont : "Le lit de pose est réalisé en sable ou gravier (6/10 ; 5/15) en fonction du terrain en place et de l’absence ou non d’eau. Lors de la pose en tranchée de canalisations en grès, nous préconisons un lit de pose d’une épaisseur de 0,10 m." Puis, "L’assise et l’enrobage (remblai latéral + remblai initial) doivent être réalisés en sable ou en gravier (6/10 ; 5/15) jusqu’à une hauteur minimum de 0,10 m audessus de l’assemblage." Lien vers le site

Les 3 fabricants font référence au Cahier des Clauses Techniques Générales, fascicule 70 "Ouvrages d'assainissement"

Quelles gaines choisir ?

Une question qui revient souvent : quelle est la gaine la plus efficace en termes d'echanges thermiques? Sur ce point, on entend tout et son contraire.....A partir des calculs de la notice de dimensionnement d'un puits canadien, nous pouvons apprécier l'effet des différents matériaux. Le graphe suivant illustre le résultat ces calculs.

En bleu, une gaine type rehau;
En rouge, une gaine type hekatherm,
En vert, un conduit en grès généralement considéré comme plus efficace.

 

Partie haute du graphe = cas estival, partie basse = cas hivernal

On voit clairement que les courbes se confondent....Contrairement à ce que les vendeurs clament fréquemment, il faut donc mettre les mêmes longueurs de gaine pour obtenir un même résultat.

 

 

 

 

En regardant plus en détails, donc en faisant un gros zoom, on voit que grès et polyéthylène donnent des résultats identiques, la gaine Rehau étant la plus "performante" (mais c'est anecdotique).

En conclusion,

Les calculs exposés précédemment ne présentent pas de difficultés ni d’originalité particulières. Il s’agit d’une simple application de calcul d’échange thermique par convection forcée à une gaine enterrée. Ils fournissent cependant des critères objectifs utiles pour le dimensionnement raisonné d’un échangeur air/sol dit « puits canadien ».

Nous avons d’abord vu que le flux thermique est fonction du débit volumique de l’air dans la gaine et de la différence de température, ce qui est commun à tous les échangeurs. La longueur de gaine nécessaire pour atteindre le flux thermique maximal augmente avec le débit d’air et diminue avec le diamètre de la gaine. Ainsi l’optimisation sur le seul critère thermique pourra conduire à des pertes de charge rédhibitoires pour un système de ventilation usuel. Le choix du diamètre et de la longueur et du nombre de gaine devra se faire en prenant en compte les pertes de charges admissibles. Ainsi comme nous l’avons montré à titre d’exemple, d’un point de vue thermique, il est équivalent d’utiliser deux gaines de 25 m de longueur, plutôt qu’une seule de même diamètre et longueur 50 m, mais la première solution est bien meilleure du point de vue des pertes de charges.

La particularité de l’échangeur air/sol réside dans le fait que la différence de température entre l’air entrant et le sol est variable au cours de l’année et dépend de la profondeur d’enfouissement de la gaine. Le sol voit ses variations annuelles de température diminuer de manière exponentielle avec la profondeur. Ainsi le gain en réchauffement / rafraîchissement sera d’autant plus grand que la profondeur est importante. Le gain augmente de manière importante jusqu’à 2 ou 3 mètres d’enfouissement. Au delà, la faible augmentation du gain thermique justifiera difficilement le surcoût de creusement. La variation annuelle de la température en profondeur présente l’avantage de posséder un déphasage par rapport aux variations de température de surface qui augmente lui aussi avec la profondeur. L’échangeur air/sol permet de tirer parti de ce déphasage, en particulier au début de l’automne, moment où le sous-sol atteint son pic de chaleur alors que la température extérieure a déjà baissée. Ce même déphasage est par contre un désavantage au printemps car il contribue à rafraîchir le bâtiment à un moment où cela n’est pas souhaitable. Il est alors préférable d’utiliser un système de by-pass qui permette de ne plus utiliser l’échangeur air sol pendant ces périodes. Un système intéressant consisterait à piloter ce by-pass en fonction des températures respectives du sol et de l’air extérieur et du besoin de chauffage ou de rafraîchissement. Un tel système permettrait en outre de profiter la fraîcheur nocturne en été ou la chaleur diurne en hiver.