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Puits canadien Faire bénéficier l’air neuf de l’inertie thermique de la terre

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Puits canadien Faire bénéficier l’air neuf de l’inertie thermique de la terre

Le dimensionnement d’un puits climatique dépend de nombreuses variables telles que la nature du sol,le volume du bâtiment, le débit d’air nécessaire en hiver et en été, la situation géographique, la place disponible, le type de construction et ses composants...(Doc. VIM - SVO Le Vigeant.)

Un puits climatique est une installation qui a pour but d’améliorer le confort thermique d’une construction, tout en limitant les consommations d’énergie. Ce puits devient « canadien » lorsque sa vocation première est de préchauffer l’air entrant dans le bâtiment et « provençal » quand il s’agit, en priorité, de le rafraîchir.

Un puits climatique consiste traditionnellement à faire passer de l’air extérieur dans un réseau enterré à une profondeur comprise entre 1,5 et 2,50 m, avant de l’insuffler dans le bâtiment. À 2 mètres de profondeur, la température du sol demeure comprise entre 5 et 15 °C, quand la température de l’air fluctue sous nos climats entre - 20 et 40 °C.

Un échange thermique ayant lieu entre le sol et l’air, la différence de température entre l’air entrant dans le puits et l’air sortant peut atteindre 8 à 10 °C. À titre d’exemple, lorsque la température extérieure est de l’ordre de  32 °C, la température de sortie du puits se situe autour de  23 °C. Inversement, quand la température extérieure est de - 7 °C, l’air extrait du puits avoisine les 2 °C.

À côté des procédés traditionnels à air, il existe de nouveaux systèmes à eau glycolée dont les performances en période hivernale sont comparables à celles des puits à air, mais sont en revanche moindres en période d’été. S’apparentant davantage à des systèmes de géothermie avec PAC, leur conception et leur réalisation, bien que relativement aisée, ne seront pas détaillées dans le présent article.

Un gain de 2 à 3 °C sur la température intérieure

• Lorsque la fonction première d’un puits climatique est de rafraîchir l’air, on l’utilise généralement seul comme système alternatif à une climatisation. Il permet alors d’abaisser de quelques degrés la température ambiante du bâtiment. « Si ce procédé n’offre pas le même niveau de confort qu’une climatisation et ne permet pas de garantir une température constante, il trouve néanmoins sa place dans un bâtiment bien conçu, disposant de beaucoup d’inertie, protégé du soleil l’été et surventilé la nuit. Le puits climatique permet dans ce cas d’abaisser l’inconfort à un niveau acceptable, inférieur à 50 heures en période normale et à moins de 150 heures en période caniculaire », souligne Stéphane Bedel, ingénieur en énergétique du bâtiment chez Izuba.

• En hiver, bien qu’il ne se substitue pas à une installation de chauffage, le puits climatique permet d’augmenter la température intérieure de 2 à 3 °C. « Son bénéfice énergétique est plus faible si l’installation est couplée à une ventilation double flux avec échangeur, qui permet de récupérer jusqu’à 90 % de calories sur l’air extrait, mais son association a l’avantage d’empêcher que l’échangeur de chaleur ne givre et évite ainsi le recours à une batterie antigel », remarque Jean-Robert Millet, ingénieur énergétique au Cstb.

Elle permet en outre de soulager le système de ventilation aux périodes de températures extrêmes, évitant du même coup de surdimensionner les équipements.

• Une installation de puits climatique s’adresse aussi bien au secteur résidentiel, individuel et collectif, qu’au domaine tertiaire (bureaux). Elle est toutefois d’un intérêt limité dans les bâtiments dont l’usage conduit à l’utilisation d’une climatisation (supermarchés) et dans les locaux fermés pendant la saison d’été ou d’hiver (écoles). Dans les établissements de santé où existent d’importantes contraintes sanitaires, se pose par ailleurs la question de la qualité de l’air extrait en raison du risque de condensation de l’air à l’intérieur du réseau. Or, il manque pour l’heure cruellement de données sur le sujet bien qu’une première étude, publiée par l’École Polytechnique de Zurich et intitulée « Mikrobielle Untersuchungen von Luftansaug-Erdregitern » de Barbara Flückinger, ait conclu à l’absence de risque sanitaire, sous réserve d’une filtration suffisante en amont, en aval et d’un entretien régulier.

De l’importance d’une approche globale

• Un projet de puits climatique implique la réunion d’un certain nombre de conditions liées au site et à la construction. De la nature du sol dépendant, en partie, l’importance de l’échange thermique, celle-ci devra ainsi être étudiée en termes de composition, de structure et de teneur en eau. De manière générale, il faut savoir que l’on obtiendra un meilleur résultat dans un sol argileux que dans un sol sablonneux. Une nappe phréatique trop élevée ou un terrain inondable sera en outre à éviter, car susceptible de provoquer des infiltrations d’eau dans le réseau enterré.

• La situation géographique du projet constitue un autre facteur à prendre en compte et sera d’autant plus intéressante que le climat y sera contrasté. « À l’Est de la France, où les hivers sont généralement très froids et les étés très chauds, l’installation est plus facile à rentabiliser que sur la Côte atlantique, où le climat est tempéré », note Jean-Robert Millet.

• Le projet requiert, en outre, une surface de terrain suffisante, car il faut dimensionner le réseau de manière à avoir un taux de renouvellement d’air de 2 à 3 volumes d’air par heure. La surface nécessaire représente environ le tiers de la surface à chauffer ou à rafraîchir. S’il demeure plus difficile à envisager dans un site très urbanisé, il existe cependant des solutions gain de place, comme celle qui consiste à superposer deux nappes de tuyaux ou, dans le cas d’une construction neuve, de disposer l’installation sous le bâtiment.

• Un puits canadien ou provençal suppose par ailleurs l’existence d’un réseau de ventilation mécanique, avec des vitesses d’air comprises entre 2 et 3 m/s. Le choix du ventilateur devra tenir compte des particularités de l’installation. Un appareil à deux vitesses sera ainsi nécessaire, afin de moduler le débit d’air selon la saison et permettre une vitesse plus élevée en été qu’en hiver. Par ailleurs, remarque Jean-Robert Millet : « L’installation doit également faire l’objet d’une gestion intelligente, dans la mesure où sa fonction peut varier en fonction des écarts de température. Il faut pouvoir utiliser directement l’air extérieur, lorsque celui-ci est plus frais que l’air passant par le puits, ce qui est souvent le cas la nuit ». L’installation devra donc être équipée d’un by-pass.

La pertinence de la solution dépend, enfin, de la qualité de la construction et de ses équipements.

Comme le fait remarquer Stéphane Bedel, « C’est une solution dont le choix doit se réfléchir dans le cadre d’une étude globale du bâtiment, prenant en compte notamment l’enveloppe, l’isolation et les équipements techniques ». Pour Vincent Thomas, ingénieur chez Solara : « C’est un complément intéressant, dans la mesure où le bâtiment va au-delà des exigences thermiques de la RT 2005 et se situe au niveau des constructions BBC ».

• Ceci étant, si le puits climatique fait aujourd’hui partie des alternatives remises au goût du jour dans un souci de recherche d’économies d’énergie et devrait au passage être pris en compte par la future RT 2012 dans le calcul d’impact des installations sur la consommation d’énergie et le confort d’été des constructions, cette solution compte pour l’heure peu de réalisations en France. En cause, une rentabilité qui n’est pas toujours au rendez-vous malgré un bilan énergétique globalement positif. « Le temps de retour sur investissement d’une installation, par rapport à un système de climatisation classique, est souvent supérieur à vingt ans. À l’image des techniques solaires, le choix d’un rafraîchissement alternatif par puits climatique est plus écologique qu’économique », note Stéphane Bedel.

Des règles de l’art à respecter

D’une conception relativement simple, le puits se compose d’une prise d’air extérieure, d’un réseau de canalisation enterré et d’un siphon ou regard de visite. Si sa réalisation n’est actuellement soumise à aucun texte réglementaire, sa réussite dépend du respect d’un certain nombre de règles de l’art et de recommandations édictées par les professionnels.

• Point de départ de toute installation, la prise d’air est placée sur une borne métallique ou maçonnée, implantée de préférence à l’ombre et éloignée de toute source de pollution (parkings, plantes à pollens allergisants...).Équipée d’une grille antirongeurs à maillagefin et d’un filtre à air de niveau G2 à G4,elle est, en outre, surélevée d’au moins 1 m et surmontée d’un chapeau, afin de limiter la pénétration d’eau et de poussières.

• Le réseau est, quant à lui, mis en œuvre à une profondeur de 1,5 à 2,5 m sur un fond de fouille lisse et stabilisé. Dans le cas d’une maison individuelle, le réseau se compose généralement d’un tube unique, de 100 à 250 mm de diamètre et d’une longueur de 30 à 50 m. Pour un bâtiment de logements collectifs ou de bureaux, dont le renouvellement d’air implique des débits d’air de plus de 300 m3/h, le réseau nécessite plusieurs tubes de gros diamètres, jusqu’à 500 mm. Afin de diminuer la surface de terrain nécessaire ainsi que les pertes de charge, les tubes sont disposés selon trois configurations : en boucle circulaire, en boucle de Tichelmann ou en méandres. Entre deux canalisations, une distance de cinq fois leur diamètre est préconisée, afin d’optimiser l’échange thermique avec le sol.

Le choix des canalisations ira de préférence vers les tubes à surface intérieure lisse qui autorisent un meilleur échange thermique et un entretien plus aisé que les tubes annelés, qui sont à proscrire. Parmi les matériaux utilisés, les produits synthétiques sont les plus répandus, en raison de leur aspect économique et de leur facilité de mise en œuvre : polyéthylène, PVC ou polypropylène souple ou rigide. Les produits en PVC sont cependant déconseillés par nombre de professionnels en raison des émanations qu’ils peuvent produire. On trouve par ailleurs des tubes en grès, terre cuite, fibre-ciment, ou fonte dans le domaine collectif. Plusieurs fabricants proposent des tubes revêtus d’une protection antibactérienne aux sels d’argent, destinée à améliorer la qualité de l’air dans les locaux (Rehau, Vim...).

La parfaite étanchéité à l’eau et à l’air des tubes et de leurs raccords est un point fondamental, car elle permet de se prémunir des risques d’infiltrations d’eau, de pénétration des racines, des rongeurs et d’éluder, selon les sols, le problème du radon. Pour cela, il est conseillé d’utiliser des canalisations à emboîtement, ainsi que les joints à lèvres. Les tubes ne doivent pas être collés entre eux pour donner de la souplesse à l’installation et éviter les émanations nocives de certaines colles.

• Lorsque le bâtiment dispose d’un sous-sol, les condensats sont collectés à l’intérieur par le biais d’un siphon. Dans le cas courant, un regard de visite est mis en place à l’extérieur. L’eau éventuelle est évacuée par une pompe de relevage ou par infiltration dans le sol au travers d’une couche drainante.

Cette dernière solution ne peut toutefois être envisagée dans un terrain humide, au risque que l’eau contenue dans le sol ne remonte dans le réseau.

Création d’une pente de 1 à 3 % pour empêcher la stagnation d’eau

Un autre aspect essentiel à respecter lors de la réalisation de l’installation porte sur le risque de condensation à l’intérieur du réseau. Rare dans un terrain sain, celui-ci existe toutefois en intersaison, au printemps notamment, lorsque la température du sol est encore froide et que pénètre dans le puits un air chaud humide en début, ou fin de journée. Pour cela, il est important de prévoir une légère pente de 1 à 3 % pour évacuer les éventuels condensats, dans le sens de l’écoulement d’air. Leur stagnation favorisant la prolifération des microbes et champignons.

Du côté de la mise en œuvre, en l’absence de sociétés spécialisées, la réalisation d’un puits climatique fait intervenir plusieurs corps d’État parmi lesquels : des entreprises de terrassement, de ventilation/climatisation ou VRD.

Le prix de l’installation, terrassement compris, varie entre 60 et 100 € HT/m2 selon l’importance du projet, la nature du sol, le type d’équipements... La part du terrassement étant de loin la plus élevée, la rentabilité du projet sera d’autant meilleure qu’il sera envisagé en amont et couplé aux travaux de fondations, dans le cas d’une construction neuve, ou à d’autres interventions extérieures dans de l’existant.

À noter que l’installation d’un puits climatique relève du domaine de la ventilation et ne permet pas aujourd’hui de bénéficier d’un crédit d’impôt. Elle peut toutefois faire l’objet d’aides financières des collectivités, notamment dans le cadre de projet HQE.

Une fois le puits en service, son entretien courant comprend le changement périodique des filtres à air, selon une fréquence de deux à six mois et l’inspection régulière du puits.

En présence de condensats, il convient de veiller à leur bonne évacuation et à la vidange de l’installation 2 à 3 fois par an. Certains professionnels recommandent, en outre, le nettoyage de l’installation tous les cinq ans par curage des tuyaux à haute pression.

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