Puits Canadien et Ventilation double flux (Mise à jour 1/4/08)
1. DEFINITIONS
Le puits Canadien est un système encore méconnu dans le domaine de la construction pourtant les Romains l'utilisaient déjà sous le nom d'hypocaust : http://en.wikipedia.org/wiki/Hypocaust. Nous l'appelons puits Canadien (ou puits Français au Québec !) pour préchauffer l'air intérieur de votre habitation en hiver et puits Provençal pour rafraîchir l'air intérieur de votre habitation en été. Il s'agit en fait d'un échangeur d'air géothermique.
Une ventilation mécanique contrôlée (VMC) à double flux avec récupération de chaleur insuffle de l'air frais dans les espaces de vie (chambre, séjour, bureau) et extrait l'air vicié des pièces humides (salles de bain, cuisine, wc). Moyennant un échangeur de chaleur efficace, l'air frais est préchauffé par la chaleur de l'air vicié évacué sans mélanger les flux. Un réseau de gaine permet la distribution et l'aspiration de l'air dans la maison.
Le couplage Puits Canadien et VMC double flux haut rendement permet d'avoir un système de préchauffage très performant qui peut réduire la facture énergétique jusqu'à 80% ; comme pour le cas des maisons passives ou à très forte isolation.
Pour ceux qui ont déjà un large sourire au coin des lèvres... la suite vous attend :-)
Voici une petite video rappelant certains principes bioclimatiques et qui montre ensuite un Puits Canadien :
2. PRINCIPE DU PUITS CANADIEN
L'air extérieur en France est de -15° à +35°C tout au long de l'année comparativement à la température du sol qui elle est d'une stabilité remarquable à quelques mètres de profondeur. Le principe du puits canadien est donc d'utiliser l'inertie thermique du sol pour préchauffer ou pré refroidir l'air entrant dans la construction. L'air ainsi obtenu est plus froid en été et plus chaud en hiver.
La température du sol à 2 m de profondeur est d'environ 13° en été et 5° l'hiver (peut varier sensiblement suivant la région).
En été l'air est donc refroidi en circulant dans le sol, il est distribué dans l'habitation par l'intermédiaire d'un ventilateur et de gaines de distribution, l'utilisation d'un système de climatisation n'est plus nécessaire. L'air n'est pas asséché et la consommation d'énergie électrique d'un puits canadien est 10 fois inférieure à une climatisation conventionnelle l'été.
En hiver, l'air se réchauffe dans le sol. Dans le sud ouest la température à 2m est d'environ 7° au plus froid de l'hiver. Le puits permet donc un premier préchauffage d'une dizaine de degré. Le système peut être couplé à une VMC double flux et ainsi utiliser un apport supplémentaire de chaleur (agit comme un deuxième préchauffage).
Les besoins de chauffage sont ainsi réduits et le maintien hors gel peut ainsi être naturellement assuré.
Coupe longitudinale sur l'installation d'un puits canadien - Source CETE
3. MISE EN OEUVRE
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. 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 (environ 20 centimètres de diamètre).
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 produire un effet totalement inversé (c'est la maison qui chauffe ou rafraîchit le puits !).
3.1 Fonctionnement suivant les saisons
En saison froide :
Préchauffage de l'air frais extérieur dans le collecteur enterré. Pour obtenir le maximum d'échange thermique l'air devra circuler à une vitesse de 1 m/s environ. Afin de produire encore plus d'économies d'énergie, l'air neuf est introduit dans un caisson de ventilation double flux. Il en résulte un meilleur rendement de l'échangeur et une plus haute température d'insufflation.
En saison chaude :
L'échangeur d'air géothermique rafraîchit l'air extérieur, entraînant ainsi une sensation de fraîcheur. L'air neuf est directement insufflé dans les pièces sans passer par l'échangeur thermique.
En périodes intermédiaires :
L'amenée d'air neuf passe soit par le collecteur enterré soit par la prise d'air directe, en fonction de la température extérieure. La température de confort est comprise entre 18 et 24° et le système sera déconnecté en cas de besoin par une dérivation (By-pass) pour ne pas rafraichir la maison alors que la température extérieure est proche de la température de confort. La commande est automatique par thermostat ou manuelle.
Schéma pour une habitation sans sous sol et avec regard pour l'évacuation des condensats - Source Hélios
3.2 Fonctionnement Puits canadien et VMC double-flux
| EN HIVER | EN ETE |
| En hiver, l'air est préchauffé naturellement en captant la chaleur du sol et est introduit à une température supérieure à 0°C; sur le schéma à + 4°C. Afin de produire plus d'économies d'énergie, il est introduit via un caisson de ventilation VMC double-flux qui récupère les calories de l'air extrait. | En été, l'air est rafraîchit naturellement en captant les frigories du sol et rentre dans la maison à 20°C (dans l'exemple ci-dessous). Il est nécessaire de « by-passer » le récupérateur d'échange sur le caisson VMC afin d'introduire en direct l'air frais. |
 |  |
Source Hélios
En hiver nous avons donc un gain de -8°C à +4°C (effet puits Canadien) et un gain de +4°C à +16°C (effet VMC Double flux) soir un gain théorique total de + 24°C avec la combinaison des deux systèmes.
En été le gain est de 12°C en refroidissement.
3.3 Qualité de l'air
L'objectif est d'éviter les pollutions qui pourraient résulter du système (odeurs, humidité, bactéries, ...). Voici donc quelques recommandations:
- Utiliser pour l'entrée du puits canadien un matériau faiblement émissif (vapeur, odeur...). Ex: aluminium, tôle...
- Placer l'entrée loin des sources de pollution et à une hauteur suffisante (1,20 m) pour éviter d'aspirer de la poussière.
- L'entrée doit être accessible pour le nettoyage et abritée du soleil, et surtout ne pas la placer au milieu de plantes vertes.
- Protéger au minimum l'entrée à l'aide d'une grille fine, pour éviter que les feuilles mortes, insectes (moustiques) et rongeurs y pénètrent
- Un filtre (type G4) peut être placé à l'entrée pour éviter poussière et pollen. La pratique veut que la filtration soit de plus en plus fine depuis l'extérieur vers l'intérieur. Selon la pollution de l'air, le filtre s'encrasse plus ou moins vite. Penser à l'entretien régulier de ce dernier suivant les recommandations du constructeur Les filtres produisent une résistance au passage de l'air, qui augmente avec l'encrassement, réduisant les performances du ventilateur.
- Avant la première mise en route, nettoyer le tuyau et ainsi contrôler l'écoulement du surplus d'eau.
3.4 Choix du tuyau
- PVC: le moins cher, pas très écologique. Il peut dégager des vapeurs nocives (COV) dues au mode de fabrication notamment des pertes des particules de chlores.
- Polyéthylène (PE): plus écologique, un peu plus cher. Il est nécessaire de prendre du polyéthylène coextrudé de qualité alimentaire et haute densité (PE HD)
- Polypropylène (PP): le plus cher mais permet le meilleur échange thermique avec une très bonne rigidité. Il est entièrement curable, très bonne hygiène. Il en existe maintenant à propriétés bactéricides.
- Tuyau annelé de protection de câbles électriques (TPC): très bon marché pour des petits diamètres. Annelé à l'extérieur, mais lisse à l'intérieur. Attention toutefois: ce type de tuyau n'est pas prévu à l'origine pour être enterré à forte profondeur car il manque de rigidité intérieur; ce qui peut nuire à leur tenue dans le temps. Ils sont également sensibles aux mouvements de terrain. Utilisez du TPC spécialement développé pour les puits canadien et non la TPC standard. Optez pour du tuyau de qualité alimentaire spécialement étudié pour les puits canadien.
- Tuyaux de béton ou terre cuite: utilisé pour des diamètres supérieurs à 300 mm. Les raccords sont difficiles à étanchéifier. L'échange thermique est plus important (la conductivité du béton est plus élevée que celle des tuyaux en plastique, relativement isolants). Le principal problème de ce type de tuyau (outre la mise en œuvre complexe), est qu'il ne garantie pas une véritable étanchéité sauf avec une mise en œuvre particulièrement soignée. Le radon du sol s'il y en a peut donc s'infiltrer dans le tuyau, et aller contaminer ensuite la maison.
Quelques Conseils :
- la tuyauterie doit être résistante pour supporter les descentes de charges (profondeur d'enfouissement d'environ 2 m).
- 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 > à 30°.
- Le tuyau sera de préférence lisse à l'intérieur pour diminuer les pertes de charge. Pour l'extérieur, attention aux tuyaux annelés qui augmentent l'échange thermique entre le sol et le tuyau mais qui rend son remblaiement plus difficile car l'air ou le radon peuvent s'accumuler dans les cavités de l'annelage.
- Ne pas prendre un tuyau de section trop importante car il créera un flux au centre qui ne touchera pas les parois, donc un mauvais échange. Généralement les tuyaux sont compris entre 160mn et 250mn de section pour les bâtiments à plus fort volume.
- Pour augmenter la surface d'échange thermique à flux égal, 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 tranchées. (Minimum 1m)
- Toutes les configurations sont envisageables, mais il faut garder à l'esprit que moins il y aura de coudes et angles, moins grandes seront les pertes de charge, et de ce fait la puissance du ventilateur sera également réduite. Il est recommandé d'avoir un rayon de courbure d'au moins 50 cm, 1m étant recommandé. La pose du tuyau s'effectuera en fonction de la configuration du terrain.
- Respecter une pente de minimum 2% dans le sens de l'aspiration pour l'évacuation des condensats. Proche de 3% si présence d'une nappe phéatique (facilite le terrassement).
- Pour favoriser l'échange thermique, la vitesse de passage de l'air dans le tube ne doit pas dépasser 2 m/s en hiver et 3,5m/s en été; idéalement elle sera de 1m/s en hiver pour des tubes de diamètres 20 cm.
- En cas de présence d'une forte concentration de Radon dans le sol, seule une solution étanche sera envisageable.
- La tuyauterie doit être posée sur un lit de limon saturé ou argile humide ou sable compacté (épaisseur minimum de 10cm) et recouvert de limon/sable (environ 30cm) afin d'éviter le poinçonnement (perte d'étanchéité). En cas de présence d'eau souterraine ou de nappe phréatique, il faudra veiller à la stabilité du remblai et surtout éviter son délitement.
3.5 Évacuation des condensats
- Doivent être impérativement récupérés et éliminés. L'accumulation d'eau dans la tuyauterie peut entraîner la prolifération de bactéries et peut partiellement stopper le flux d'air.
- Les condensas peuvent être éliminés par l'intermédiaire d'un siphon dans la partie la plus basse de la tuyauterie (généralement en été un maximum d'un litre d'eau par heure peut être évacué).
- Les condensas peuvent être éliminés par l'intermédiaire d'un simple trou dans la partie la plus basse de la tuyauterie déversant les condensas sur un lit de gravier (système puits perdu pour zone sans radon*) *cf. prochain paragraphe.
- La meilleure solution reste la pose d'une pompe de relevage dans un regard étanche.
Plusieurs possibilités :
- Regards aux sous-sols ou caves: 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 fortes concentrations de gaz radon dans le sol ou si votre sol est très humide (sources, nappes souterraines,...).
- 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. Le regard peut être placé sur un lit de cailloux dans les régions sans radon ou/et dans les sols peu humides.
3.6 Au sujet du Radon
Le radon est un gaz radioactif et toxique d'origine naturelle qui provient de la décomposition de l'uranium 238.
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. Afin d'en diminuer les concentrations dans les maisons il suffit d'aérer et de ventiler les maisons, les sous-sols, les vides sanitaires et d'améliorer l'étanchéité des murs et des planchers.
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. Il faut donc éviter les raccords et apporter une attention particulière à l'enrobage du tuyau avec de la terre pour éviter les cavités où le Radon pourrait se loger.
- Carte du Radon en France:
Source IPSN
- En gironde nous avons très peu d'activité liée au Radon:
Source IPSN
4) DIMENSIONNEMENT DU PUITS CANADIEN
Le calcul d'un puits canadien est fonction de plusieurs paramètres :
- Le volume de la maison
- Le débit nécessaire en hiver et en été
- Le choix de la ventilation de la maison (VMC, aération naturelle, ...)
- L'architecture (bioclimatique, matériaux, isolation, ...)
- La nature du sol (sablonneux, argileux, nappe phréatique,...)
- La place disponible pour l'enfouissement du tuyau
- La localisation géographique
- Le budget
5) LA VENTILATION
5.1 L'échangeur air-air
Principe de fonctionnement d'une centrale VMC double-flux avec échangeur (à courant croisé)
Pour un système de prechaffage optimisé prévoir une VMC à haut rendement (>90%) avec un système de by pass intégré, des moteurs à faible consommation à courant continu, des filtres haute efficacité. Les principaux fabricants qui peuvent assurer un tel niveau de performance sont: Atlantic, Aldes, Akor, Codumé, France Air, Hélios, WTA (mais il y a en surement d'autres!)
Rappel : les grilles d’aération en menuiserie sont inutiles si le système est équipé d’un by-pass. L’arrivée d’air neuf dans la maison se fait par le réseau de gaines durant toute l’année. Suivant le climat où l’on se trouve et le système de ventilation couplé au puits canadien, le by-pass peut être automatique ou manuel. Un by-pass automatique est vivement recommandé surtout dans les regions au climat tempéré (variations température moins importantes suivant les saisons)
5.2 Distribution interieure
Schéma de principe :
Vue plan :
- L'extraction: L'air vicié est aspiré dans les salles de bain, la cuisine, les WC, la buanderie et le célier . Pour éviter la stratification de l'air (air chaud vicié en hauteur, air froid au sol) dans les pièces d'eau il faut placer les bouches d'extraction d'air en partie haute de la pièce.
- L'insufflation: Distribution d'air pulsé dans le plafond (pour les chambres), le plancher ou dans les murs. Pour éviter des courants d'air perceptibles, les bouches d'air pulsé doivent être loin des zones de séjour prolongé. Par exemple des sorties d'air à faible induction seront placées prés ou au dessus d'une porte ou derrière un radiateur. Dans les zones de séjour des personnes, la vitesse de l'air ne devrait pas dépasser 0,15m/s . La distance entre l'entrée d'air et la zone de séjour (siège, place de travail, lit) devrait être au minimum 1m de préférence 2m ou plus. Prévoir des bouches d'insufflation réglables permettant un réglage pièce par pièce du débit d'air entrant.
- Protection contre le bruit:
- Vitesses d'air supérieures à 2m/s doivent être évitées.
- Les coudes et arêtes vives à éviter également (bruit et perte de charge).
- Utiliser des ventilateurs silencieux.
- Utiliser une boite de distribution qui attenu le bruit
- Choisir une VMC dont la puissance acoustique maximum est de 35 dB(A) en petite vitesse (mode hiver) et 40 db(A) pour un renouvellement total de l'air toutes les deux heures (mode été). La puissance sonore recommandée est de 20 dB(A) pour les chambres, 30 db(A) pour les pièces de vie ; attention donc à bien isoler et placer l'ensemble VMC et ses caissons de répartition..
- Dans une maison individuelle, il existe deux principes de mise en œuvre des gaines de ventilation:
- Les réseaux "araignée", tous les conduits partent de la même base et rejoignent chaque bouche. Généralement ils sont équipés d’un caisson de répartition pour l’insufflation et d’un autre pour l’extraction.
- Les réseaux "filaires", un conduit principal de diamètre 160 ou 125 minimum est divisé pour rejoindre toutes les bouches. Cette technique nécessite un équilibrage des débits en fonction des différences d’éloignement entre les bouches et le ventilateur.
5.3 Conduits
Les conduits en aluminium souple sont bon marché mais ils sont difficiles à parfaitement étancher et restent fragiles. Ils sont utilisés lorsque le réseau est filaire. Le réseau d’insufflation est impérativement isolé pour minimiser la nuisance acoustique. Si un puits canadien est réalisé, les conduits intérieurs ne devront pas être inférieurs à un diamètre 125 (les débits d’été augmentent la vitesse de l’air dans les conduits et une nuisance acoustique peut alors être constatée).
Les conduits en polyéthylène de qualité alimentaire sont une alternative pertinente, rapide à mettre en œuvre et à faible encombrement.
- L’équilibrage du réseau est minimum et la répartition des débits d’air uniformes car chaque conduit laisse passer 30m3/h au maximum (pour diamètre 75).
- Les conduits peuvent donc être disposés en faux plafond, coulés en dalle béton ou intégrés dans une cloison sèche.
- Le conduit est continu du caisson de répartition jusqu’au plénum de distribution, limitant les fuites d’air sur le réseau
6) APPLICATION ET CHOIX DES MATERIAUX
- Volume de la maison 480 m3
- Température consigne (ou de confort) 20°
- Température de la dérivation 18° et 24° (plage de température dans laquelle le puits canadien est «bypassé»)
- 1 tuyau de 44 m en PP (polypropylène - voir photo) haute densité diamètre de 200mm à 1.8m de profondeur et enrobée de sable. Le tuyau est de marque Rehau et est traité bactéricide. A cause du terrassement difficile au-delà de 1.5m de profondeur (présence d'eau) nous avons choisi un pose linaire afin d'éviter les raccords. Pourtant d'un point de vue thermique et des pertes de charge le pose Tickelman ou en parallèle de plusieurs tuyaux reste la plus efficace.
- Pour le dimensionnement des tubes Réhau nous avons considéré les courbes de rendement publiées par Bruno Herzog qui a écrit un ouvrage sur le Puits Canadien. L'échangeur à été légèrement surdimensionné afin de garder un rendement de 90% à des vitesses d'air plus élevées pour les jours de canicule. Et il risque d'y en avoir de plus en plus....
- Les ventilateurs disposent souvent de 2 vitesses ce qui permets d'avoir une circulation plus lente l'hiver et plus rapide l'été. Le volume de la maison est de 480 m3 environ et l'air sera renouvelé toutes les 3heures l'hiver, soit 160 m3/h de besoin d'apport d'air de l'extérieur et un débit de 240 m3/h l'été (toutes les deux heures).
- Une entrée d'air en acier inoxydable avec grille et filtre. (ex filtre à poche intégré classe G3 ou G4 anti-pollen)
- Regards de visites en PP en diamètre 400 ou 300mn pour l'entretien de l'installationet l'évacuation des condensas
- Une pompe de relevage pour la récupération des condensas:
- Une traversée de mur en polypropylène:
- Un by-pass automatique avec thermostat et entrée d'air direct pour fonctionnement en mi-saison:
- Un réducteur 200/160 ou 150 (suivant modèle VMC) pour la répartition de l'air dans la maison
- Une VMC double flux haut rendement (Pas encore choisi) avec by-pass (été/hiver) pour préchauffer l'air de sortie du puits.
- L'ensemble sera installé dans le cellier dans le sous plafond. Voici le schéma d'arrivé du puits canadien dans la maison:
- Des gaines silencieuses et de fort diamètre entre la sortie VMC et les caissons de répartition.
- 1 caisson pour l'insufflation et un autre pour l'extraction. Les caissons agissent comme une chambre à air et amortissent le bruit de façon non négligeable
- Il est important de rester dans un diamètre important pour éviter les pertes de charge et les bruits générés avec les petits diamètres.
- Le réseau de distribution comportera 6 bouches d'insufflation (2 dans le séjour, 1 dans le dégagement, 1 dans chaque chambre) et 5 bouches d'extraction(cuisine, le cellier, les toilettes et les deux salles de bains). Certaines bouches seront alimentés par deux gaines afin d'augmenter les débits pour les plus grands volumes (cuisine, salon, grande salle de bain).
- Pour l'ensemble de la maison, l'équation «air pulsé = l'air extrait» doit être respecté. Si vous posséder un poêle ou une cheminée prévoir une surpression d'environ 15m3/h pour l'air insufflée. La quantité d'air extraite est fonction des dimensions de la pièce et du taux d'humidité. Des clapets de réglage à commande manuelle peuvent être montés dans chaque conduit de pulsion et de reprise d'air.
- Prévoir une sonde d'humidité dans chaque salle de bain et une sonde de présence CO2 pour le séjour afin d'avoir une autorégulation optimisée.
- Reste à décider de la grosseur des gaines de distribution finale et du fabricant...
Mise en pratique en septembre/octobre car nous attendons le niveau de l'eau le plus bas afin de commencer le terrassement du Puits Canadien...
A bientôt,
6) POUR EN APPRENDRE PLUS
http://www.minergie.ch/fr/download/Lueftung.f.pdf pour dimensionner votre ventilation
http://www.aldes.fr/portail-aldes.htm
Thèse sur les échangeurs d'air géothermique
Notice de dimensionnement Principe et notice de calcul et de dimensionnement d'un puits canadien (profondeur d'enfouissement, diamètres des gaines, débit d'air, gain thermique annuel).
Le puits canadien (ou puits provençal) sur le site ideesmaison.com
http://www.batirbio.org/html/ Le Puits canadien d'après Bruno Herzog
Puits provençal pour l'aération et la climatisation/rafraichissement Canicule sur Terre Argile.
Puitscanadien.com Réalisation d'un puits canadien avec VMC double flux et relevés de température