puits canadien

1 PANOPTIQUE

PUITS PROVENCAL / CANADIEN

Puits canadien

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Introduction

PANOPTIQUE

Le puits provençal n’est pas vraiment un « puits » et il n’est pas uniquement originaire de Provence. Le terme puits provençal est

adopté dans le cas où il sert à rafraîchir les habitations.

Réversible, il peut être utilisé en hiver pour préchauffer l’air qui pénètre dans le bâtiment. On parle alors de puits canadien.

En fait, ce puits serait plutôt persan ou grec : une technique semblable était déjà employée avant notre ère. Il est possible que son origine provienne également d’Italie où dès le XVIème siècle,

des cavités naturelles ont été utilisées pour rafraîchir les habitations.

3 PANOPTIQUE

Principe

Chaque élément d’un puits canadien a une fonction précise et doit posséder des caractéristiques précises :

• Une prise d’air neuf

• Un ou plusieurs tuyaux

• Un ventilateur

• Une arrivée d’air dans le bâtiment

• Une évacuation des condensats et des eaux d’infiltration

• Un système de régulation

4 PANOPTIQUE

Principe

La prise d’air neuf

• Regard pour la partie enterrée et habillage pour la partie aérienne.• Filtres anti-rongeurs, anti-insectes, anti-volatiles au niveau de la prise d’air neuf• La partie extérieure apparente doit être relativement haute afin d’éviter l’aspiration de poussières ou autres particules se trouvant en partie basse près de la surface du sol. • Si possible, rendre accessible au maximum le regard pour faciliter l’entretien (dans le cas de grosses installations)• Éloigner le plus possible la prise d’air de toutes sources polluantes (parking …)

5 PANOPTIQUE

Principe

Les conduits enterrés

• Le plus fréquemment, on trouve des conduits en PVC, PE, béton, grès, TPC• Tuyaux le plus lisse possible à l’intérieur et une épaisseur pas trop importante. En effet, cela favorise l’échange thermique et permet également de diminuer les turbulences liées à la rugosité. • Limiter au maximum la présence de coudes, angles et raccords pour limiter les pertes de charge• Prévoir une pente de 2 à 3 % dans le réseau enterré afin de favoriser l’écoulement de l’eau de condensation ou d’infiltrations éventuelles.

6 PANOPTIQUE

Principe

Un ventilateurIl y a différents cas de figure :

• Le système est couplé à une VMC simple flux : il faut intégrer dans le système un ventilateur permettant d’assurer le débit de renouvellement d’air souhaité.

• Le système est couplé à une VMC double flux : le ventilateur du double flux sert à assurer le débit d’air souhaité dans le puits canadien.

• Le système est couplé à une Centrale de Traitement d’Air (CTA) : le ventilateur de la CTA sert à assurer le débit d’air souhaité dans le puits canadien.

7 PANOPTIQUE

Principe

Une arrivée d’air dans le bâtiment

L’arrivée d’air pénètre dans le bâtiment et est généralement raccordée au système de diffusion d’air (CTA, caisson double flux, bouches de diffusion).

Il est préférable de prévoir un accès pour l’entretien et les interventions de maintenance du ventilateur.

8 PANOPTIQUE

Principe

Une évacuation des condensats

9 PANOPTIQUE

Principe

Un système de régulation (automatique ou manuelle)

La régulation d’un système de puits canadien est à la fois difficile et primordiale. En effet, il est important de pouvoir by-passer le puits canadien et de prendre l’air directement de l’extérieur notamment en mi-saison où la température extérieure est proche de la température intérieure du bâtiment. Le by-pass doit s’effectuer également la nuit pour récupérer la fraîcheur des nuits d’été.

Un système de régulation doit permettre également de laisser le sol se régénérer après une utilisation prolongée du puits.

Cependant, la modélisation de fatigue du sol due à l’utilisation d’un puits canadien est délicate et une régulation adéquate est difficile à mettre en œuvre.

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Exemples concrets de réalisation

PANOPTIQUE

25 conduits de diamètre 200 mm (5 nappes de 5 conduits)

Longueur du réseau : 40 m

Profondeur d’implantation moyenne : 2 m

Débit d’air total théorique : 10 000 m3/h

Couplé à une CTA double flux

• Collège en Haute Marne (52)

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PANOPTIQUE


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PANOPTIQUE


Problème du Radon

Gaz radioactif d'origine naturelle Désintégration de l'uraniumet du radium Peut s'accumuler dans les espaces clos.Solutions :- aérer et ventiler les maisons, les sous-sols et les vides sanitaires;- améliorer l'étanchéité des murs et des planchers.

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PANOPTIQUE


Mesures de la concentration en Radon

Un dosimètre en sortie de puits canadien (intérieur)

Un dosimètre en entrée de puits canadien (extérieur)

Un dosimètre dans un local non ventilé (placard)

Mesures sur deux mois

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PANOPTIQUE


Concentration en radon

Entrée de puits 18 Bq/m3

Sortie de puits 9 Bq/m3

Local non ventilé 62 Bq/m3

Mesures de la concentration en Radon

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PANOPTIQUE


Recommandation : circulaire du 27 janvier 1999 :

En pratique, les pouvoirs publics estiment que l'on peut distinguer trois niveaux en termes d'exposition :

1 - en dessous de 400 Bq/m3, la situation ne justifie pas d'action correctrice particulière;2 - entre 400 et 1000 Bq/m3, il est souhaitable d'entreprendre des actions correctrices simples (amélioration de la ventilation etc…);3 - au delà de 1000 Bq/m3, des actions correctrices, éventuellement d'envergure, doivent être impérativement conduites à bref délai, car on aborde un niveau de risque qui peut être important. Ce dernier niveau, conduira, en fonction de sa fréquentation, à envisager la fermeture de l'établissement recevant du public jusqu'à la réalisation des actions correctrices.

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Association avec un système de ventilation mécanique

• VMC double flux

• VMC simple flux

• Centrale de traitement d’air

Habitation

Locaux tertiaires

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Association d’un puits canadien avec un système double flux avec récupération de chaleur sur l’air vicié :

Hypothèses :

Récupérateur sur air vicié d’efficacité 80%

Puits canadien permettant de préchauffer l’air à -2°C pour -15°C de température extérieure

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Température en sortie d'échangeur en fonction de la température extérieure

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Température extérieure

Tem

pér

atu

re s

ort

ie é

chan

geu

r

Gain = 27 °C

Gain PC seul = 13 °C

Gain net du puits canadien associé au récupérateur de calories = 3 °C

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Sous nos latitudes, le puits canadien associé à un récupérateur de chaleur sur air vicié n’est pas forcément pertinent sauf :

Utilisation des fouilles lors de la construction pour limiter le coût de tranchées pour le puits canadien ;

Puits canadien de taille réduite permettant le maintien hors gel du récupérateur ;

Utilisation du puits canadien pour le rafraîchissement en été tout en by passant le récupérateur.

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Association avec un système simple flux :

Permet de réduire les déperditions en hiver et ainsi permet de faire des économies de chauffage (le renouvellement d’air s’effectue avec de l’air à -2°C au lieu de -15°C)

MAIS…….Il semble plus judicieux dans ce cas :

d’investir dans une centrale double flux;

de soigner l’isolation, l’étanchéité, l’orientation et de traiter les ponts thermiques si tout cela n’est pas fait.

22 PANOPTIQUE


Coût moyen d’un puits canadien :

Tranchées : 25 €/m3

Conduits diamètre 250 mm :

Grès : 90 €/ml

PE : 45 €/ml

PVC : 25 €/ml

23 PANOPTIQUE


Solutions en KIT :

Il existe des KIT comprenant puits canadien et centrale double flux. Ces KIT incluent la régulation des systèmes (by-pass) en fonction de la température extérieure.

Prix d’un tel KIT pour particuliers :

Borne prise d’air extérieur : 1 000 € HT

Échangeur géothermique : 1 000 € HT

Régulation avec by-pass motorisé : 1 000 € HT

TOTAL Puits canadien : 3 000 € HT ( + 1000 € pour la tranchée)

Centrale double flux : 2 500 € HT

TOTAL KIT + tranchées : 6 500 € HT !!

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Utilisation du puits provençal pour le rafraîchissement en été

L'objectif est de rafraîchir au maximum lors de fortes chaleurs.

Une maison bien pensée, bien équipée permet l'apport passif du soleil par les baies vitrées et l’ombrage de ces dernières par des protections solaires pour le confort d’été.

Le puits provençal ne vient qu'en complément à 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.

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Échange air/sol

L’échange air/sol est extrêmement compliqué à modéliser et la démarche analytique est très complexe.

Cet échange fait intervenir plusieurs paramètres thermiques comme :

le coefficient d’échange convectif air/tube,

le coefficient d’échange tube/sol,

le coefficient d’échange global air/sol,

la modélisation de régénération du sol avec utilisation du puits canadien.

Cette dernière modélisation est sans conteste la plus difficile…

PANOPTIQUE

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Échange air/sol

Da

Nu

ah

PANOPTIQUE

• Échange thermique entre le conduit et l’air : estimation du coefficient d’échange convectif

Avec :ha : coefficient d’échange convectif entre l’air et le conduit [W.m-2.K-1]D : diamètre du conduit [m]λa : coefficient de conduction de l’air [W.m-1.K-1]

Et : 5,08,0 PrRe022,0 Nu

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Échange air/sol

PANOPTIQUE

• Echange thermique entre le sol et le tube : flux de conduction

Avec :Tce : Température du conduit extérieur [°C] (T du sol)Tci : Température du conduit intérieur [°C]D : diamètre du conduit [m]λm : coefficient de conduction du matériau [W.m-1.K-1]e : épaisseur du conduit

cice TT

DeDm

2ln

2

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Calcul pour un conduit

Avec :

• Détermination de la température en sortie

eT

ceT

eTL

sT 1)exp(

Rcpmq

1

et

Convection air/paroiConduction Terre/paroi

m

DeD

Dah

R

2

2ln

1

11

Échange air/sol

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Calcul pour un conduit

• Puissance récupérée

La puissance récupérée est donnée par la formule suivante :

Taa

cvQP

Avec :

eT

sTT

Ts : température de sortie du puits[°C]Te : température d’entrée dans le puits[°C]

Échange air/sol

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Calcul pour plusieurs conduits enterrés

Influence thermique d’un conduit envers l’autre :

A partir des travaux réalisés par Albers

On obtient :

1ln

22

0

r

S

r

S

SB

Avec :

B0 : Largeur de l’influence thermique d’un conduit [m]

Échange air/sol

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Calcul pour plusieurs conduits enterrés

Puissance d’un système à plusieurs conduits :

conduitn

Si la distance entre deux conduits est égale ou supérieure à la largeur d’influence (B0) :

conduitB

wn

conduitn

2

0

01)1(

Si la distance entre deux conduits (w0) est inférieure à la largeur d’influence (B0) :

Échange air/sol

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Température en sortie de puits pour un système composé de plusieurs conduits :

eT

pc

mqpuitssortie

T

_

Échange air/sol

33 PANOPTIQUE

Dimensionnement

Comment caractériser un puits canadien?

Quels sont les paramètres déterminant pour un bon dimensionnement?

• La vitesse de l’air dans le (ou les) conduit(s)

• Le diamètre du conduit

• Le matériau utilisé pour le conduit

• La profondeur d’implantation du réseau enterré

• La longueur du réseau dans le sol

• Le nombre de conduits

• Des caractéristiques du sol (composition, teneur en eau, conductivité thermique)

34 PANOPTIQUE

Dimensionnement

Préconisations de vitesse de l’air dans les conduits et de diamètre de conduits :

Le diamètre du tube doit constituer un compromis entre l’échange thermique, l’échauffement de la paroi du conduit, les pertes de charges et les nuisances acoustiques éventuelles.

Il est préconisé une vitesse de l’air dans le réseau de

1 à 4 [m/s]

En fonction du débit, on en déduit alors une plage de diamètres à préconiser.

Les diamètres sont de l’ordre de 100 à 500 mm.

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Quel matériau utiliser pour les conduits?

• PVC : Le moins cher mais pas très écologique. Possible dégagement de vapeurs nocives lorsqu’il est soumis à des températures élevées

• Polyéthylène (PE): Le plus écologique, mais assez chers

• Tuyaux annelés de protection de câbles électriques (TPC): Très bon marché pour des petits diamètres. Annelés à l'extérieur mais lisses à l'intérieur

• Tuyaux de béton : Utilisés pour des diamètres supérieurs à 300mm. Les raccords sont difficiles à étanchéifier. L'échange thermique est moins important (attention au débit d'air car dans une certaine mesure le béton émet du radon).

Dimensionnement

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Dimensionnement

La profondeur d’enfouissement du réseau

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Dimensionnement

La profondeur d’enfouissement du réseau

La profondeur du tuyau donnera la température du sol vers laquelle l'air du puits va tenter de s'égaliser. Il faut descendre au-delà de 1,20m minimum, ensuite plus on descend en profondeur et plus le gain en température sera faible.

Tout du moins, il ne se justifiera plus par rapport à l'investissement en terrassement.

De façon générale, la profondeur d’implantation est de l’ordre de

1,20m à 2m

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Dimensionnement

La longueur du réseau dans le sol

Plus le trajet est important et plus la température de l'air sera proche de celle de la terre. Il faut compter "en moyenne" une longueur de 50m environ pour obtenir un impact intéressant.

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Dimensionnement

Le nombre de conduits

Le nombre de conduits dépend directement du débit souhaité.

Réduire les débits dans les conduits permet de réduire les diamètres et ainsi de favoriser l’échange thermique.

40 PANOPTIQUE

Résultats de mesures

Puits canadien instrumentalisé

Nous avons instrumentalisé un puits canadien dans la région de Strasbourg.

Ce puits canadien est constitué de :

• 30 conduits de diamètre 200 mm (5 nappes de 6 conduits)

• Longueur du réseau : 40 m

• Profondeur d’implantation moyenne : 1,50 m

• Débit d’air total : 4300 m3/h

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Les graphiques suivants sont issus de mesures effectuées entre le 4 avril et le 8 juin 2006.

Résultats des mesures

Résultats de mesures

Températures extérieure et en sortie de puits en fonction du temps

-5

0

5

10

15

20

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30

1

41 81

121

161

201

241

281

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441

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1001

1041

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1121

1161

1201

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1321

1361

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1441

1481

1521

Nombre d'heures

Température

Température extérieure Température en sortie de puits canadien

Zoom

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Températures relevées sur site : ça marche !!!!

Résultats des mesures

Les graphiques suivants sont issues de mesures effectuées entre le 5 et le 10 mai 2006.

En temps normal à cette période de l’année, le puits canadien devrait être by-passé.

Températures extérieur et en sortie de puits en fonction du temps

0

5

10

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6:00

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6:00

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:00

05/05/06 06/05/06 07/05/06 08/05/06 09/05/06 10/05/06 11/05/06 12/05/06 13/05/06 14/05/06 15/05/06 16/05/06 17/05/06

Jours

Température

Température extérieure Température sortie de puits

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Conclusion

Le principe d’utiliser le potentiel thermique du sol en faisant circuler de l’air extérieur dans les canalisations enterrées n’est pas récent. Il trouve cependant aujourd’hui un regain d’intérêt et s’inscrit dans la politique actuelle de protection de l’environnement et de maîtrisede l’énergie.Ce procédé a également le mérite d’être réversible. Il permet en hiver de réduire jusqu’à 10% les déperditions par renouvellement d’air.En été, il permet de réduire de 3 à 4 [°C] la température intérieure.Ce système s’inscrit véritablement dans les démarches émergentes de qualité environnementale et énergétique (Effinergie, Minergie, Passiv Haus).

44 PANOPTIQUE

Conclusion

Cependant ce système n’est intéressant uniquement si sa mise en œuvre et son utilisation sont réalisées avec soin et précision. En effet, des problèmes d’étanchéité peuvent entraîner une mauvaise qualité de l’air (à cause du radon). La présence d’eau stagnante dans les regards peut également rendre la qualité de l’air moins bonne que l’air extérieur ce qui n’est évidemment pas acceptable et ne valorise pas le système de réseau enterré.

puits canadien

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