Puits provençal - Définition

Introduction

Le puits provençal, ou échangeur air-sol, est un échangeur géothermique à très basse énergie utilisé pour rafraîchir l'air ventilé dans un bâtiment en été. Il est appelé puits canadien lorsqu'il vise au préchauffage hivernal de l'air ventilé.

Il est un mode de rafraîchissement estival et de préchauffage hivernal notamment utilisé dans l'habitat passif.

Principe

Le puits provençal (ou aussi puits canadien) consiste à alimenter un bâtiment en air frais en le faisant circuler auparavant dans un conduit enterré qui selon les conditions climatiques le refroidit ou le préchauffe en utilisant l'inertie thermique du sol. L'air sert de fluide caloporteur tandis que le tube sert d'échangeur thermique tout en canalisant l'air jusqu'au bâtiment.

Principalement utilisé comme système de rafraîchissement naturel, le puits provençal peut être également utilisé l'hiver pour préchauffer l'air entrant ou pour maintenir hors gel une habitation.

Il est basé sur le simple constat que la température sous terre :

• est différente de celle de l'air en surface.
• sa variation peut se modéliser comme la somme de deux oscillations l'une annuelle (été/hiver) et l'autre journalière (jour/nuit).
• sa variation subit une plus faible amplitude par rapport à sa moyenne annuelle d'autant plus que la profondeur augmente.
• sa variation journalière, à faible profondeur, est déphasée dans le temps par rapport à celle de l'air en surface du fait de l'inertie thermique de la terre.

Ces constats sont à mettre en parallèle avec les données suivantes :

• la profondeur du sol à partir de laquelle la température est considérée comme hors gel est d'environ 60 cm en plaine sous les latitudes françaises métropolitaines.
• la température moyenne saisonnière du sous-sol à 2 mètres de profondeur se rapproche davantage de la température de confort (18-26°C) l'été que l'hiver (en plaine sous les latitudes françaises métropolitaines).
• les variations des températures saisonnières été/hiver n'interviennent pratiquement plus à partir de 10/15 mètres de profondeur où la température reste quasi-constante tout au long de l'année.

En pratique, le tube sera enterré au moins à 1,5 mètre de profondeur et à ce titre :

• le tube est à l'abri du gel.
• la variation de température journalière à cette profondeur est déphasée par rapport à celle de la surface.
• la température moyenne mensuelle à cette profondeur varie au cours des saisons.

Le procédé étant passif et basé sur la capacité thermique du sol, un puits provençal peut être contre-productif pour préchauffer/rafraîchir à certaines parties de la journée et/ou de l'année par rapport à l'air extérieur. Pour éviter cela, une entrée d'air en prise directe et une vanne (manuelle ou électrique) est recommandée pour court-circuiter le puits.

Utilisant le principe d'inertie thermique, le système est d'autant plus efficace que les amplitudes thermiques extérieures journalières sont fortes ou qu'il fait face à des événements climatiques extrêmes de courte durée (ex : blizzard à condition que l'entrée d'air soit protégée de la neige).

Mise en œuvre et ingénierie

Le rendement de l'échangeur

Le rendement de l'échange thermique entre le flux d'air et le sol dépend de :

• La nature du sous-sol : la conductivité thermique des sols varie fortement en fonction de la présence d'eau et de sa constance. Dans les cas de sources ou de rivières souterraines le rendement est davantage fonction de la température et de la pérennité de ces flux, la capacité thermique massique de l'eau étant nettement supérieure à celle des composants du sol. De fortes précipitations en été peuvent nettement améliorer le rendement du puits après plusieurs semaines de sécheresse par exemple.

• Le dimensionnement du tube et le débit d'air : l'échange thermique est d'autant plus grand que la vitesse d'écoulement du flux d'air est faible et la surface du tube grande. Le débit d'air étant lié directement aux besoins de renouvellement d'air frais pour le bâtiment qui est fixé a minima réglementairement. Par conséquent, la vitesse dépendra uniquement du diamètre du tube. La surface d'échange quant à elle est fonction de la longueur et du diamètre du tube. Il est à remarquer que la longueur du tube augmente les charges en ligne et influe directement sur la puissance nécessaire à l'installation. La consommation de la ventilation doit rester à une puissance acceptable, le gain énergétique du puits doit rester supérieur aux charges énergétiques liées à la ventilation pour justifier une telle installation.

• La profondeur de l'enfouissement du tube : plus on descend dans le sous-sol, plus la température est constante. Il faut trouver un compromis entre rendement et coût du terrassement, ce compromis est généralement trouvé entre 1 et 2 mètres de profondeur.

• Le taux d'hygrométrie du flux d'air dans le tube.