16-4 - Match comparatif entre puits provençal hydraulique et monosplit
14/09/2017 -
Confort d'été
Les retours d'expériences démontrent que, dans une maison passive, le confort d'été et finalement plus difficile à obtenir et conserver que le confort d'hiver. La raison s'appelle essentiellement l'énergie fatale. C'est énergie est celle qu'il n'est jamais possible d'éviter de consommer ou plus fréquemment de produire. La chaleur humaine, celle produite à l'extérieur des réfrigérateurs ou des canalisations de transport de l'eau chaude en sont des exemples très différents, tous bienvenus dans nos constructions en hiver, mais totalement contreproductifs en été, notamment pendant les périodes de canicule les plus chaudes. Les énergies fatales ont de plus la fâcheuse tendance à cumuler simultanément leurs effets en améliorant ou détériorant encore plus le confort parce que leur génération n'est pas contrôlable.
Produire de la chaleur en été sans qu'il soit possible de l'éviter dans un système déjà chaud qui bloque la chaleur à l'intérieur conduit fatalement à sa surchauffe. Les seuls moyens permettant d'éviter ce phénomène consistent à stocker ou à évacuer l'équivalent de la chaleur fatale. L'inertie thermique par absorption peut la stocker au moins en partie dans la journée et l'évacuer la nuit grâce à la surventilation nocturne. Lorsque la surventilation nocturne n'est pas suffisamment efficace, parce que la température extérieure ne baisse pas assez ou que les débits de ventilation sont trop faibles, il faut l'évacuer, la transporter de l'intérieur vers l'extérieur. Dans une maison classique, ce rôle est affecté aux climatiseurs réversibles. Dans une maison passive, ce rôle peut être assuré par un puits provençal.
Principes d'un puits provençal
Il existe plusieurs types de puits provençaux. Un puits provençal aéraulique amène directement l'air rafraîchi dans la construction alors qu'un puits provençal hydraulique prélève la chaleur de l'air neuf pour la transférer, la stocker et la diffuser hors de la construction. Les deux utilisent un système distant de stockage de la chaleur et de stabilisation de la température à forte inertie, le sol ou une nappe phréatique.
Le couplage indispensable d'un PPH au réseau d'une VMC double flux, les analyses des performances, l'amélioration de la fiabilité, la facilité de régulation, le couplage entre chauffage et rafraîchissement… conduisent à la solution la plus efficace, un puits provençal hydraulique post VMC, un PPH.
Un PPH post VMC est constitué d'une batterie hydraulique placée après la VMC de manière à rafraîchir l'air neuf éventuellement déjà rafraîchit pas la VMC, d'un échangeur placé dans le sol ou la nappe phréatique et d'un circulateur qui fait circuler le fluide caloporteur, de l'eau fraiche sans glycol, en boucle fermée entre la batterie et l'échangeur.
Les bases de la comparaison
Un PPH ne fait que transporter la chaleur prélevée dans la construction grâce au fluide caloporteur qui circule en boucle fermée entre la batterie hydraulique dans laquelle il est chauffé, et l'échangeur situé dans le sol ou la nappe phréatique dans lequel il relâche la chaleur précédemment captée. Il doit donc être possible de définir un "COefficient de Performance Equivalent" à celui d'un système thermodynamique. Ce COP, défini comme le rapport entre l'énergie thermique fournie par l'appareil et l'énergie nécessaire à son fonctionnement, celle du circulateur et, lorsqu'il y a surventilation, celle des ventilateurs de la VMC, permettrait de comparer instantanément, sans le moindre doute, la performance d'un PPH à tout système de climatisation. il permettrait ainsi de choisir le plus performant, le moins cher à l'investissement ou à long terme, ou encore le meilleur rapport qualité prix en connaissance de cause. Cette comparaison est actuellement impossible de manière simple.
L'énergie des PPH
Rappel de physique
La quantité d'énergie Q qui peut être contenue dans 1m3 d'eau est proportionnelle :
- à la chaleur volumique de l'eau : 1,16kWhu/m3•K et
- à la différence entre la température initiale de l'eau et sa température finale : ∆t exprimée en Kelvin ou °C
Q = 1,16 ∆t
Cette formule indique que la chaleur qui peut être stockée ou transportée par l'eau est de 1,16kWh pour chaque m3 et chaque degré d'écart entre sa température initiale et sa température finale, entre, par exemple, celle de l'eau qui arrive dans la batterie hydraulique et celle de l'eau plus chaude qui en ressort après avoir été réchauffé par l'air qui la traverse.
La quantité d'énergie Q qui peut être contenue dans 1m3 d'air est proportionnelle :
- à la chaleur volumique de l'air : 0,33Whu/m3•K et
- à la différence entre la température initiale de l'air et sa température finale : ∆t exprimée en Kelvin ou °C
Q = 0,33 ∆t
Cette formule indique que la chaleur transportée par le flux d'air de la VMC est de 0,33W pour chaque m3 d'air renouvelé et par degré d'écart entre la température initiale et de la température finale, entre celles de l'air extérieur et de l'air neuf.
L'énergie de chauffage récupérée
Les données ci-dessus montrent que, à volume équivalent, l'eau est capable de transporter 3500 fois plus d'énergie que l'air. C'est donc le débit de l'air diffusé par la VMC DF et la différence de température entre l'air neuf avant et après la batterie hydraulique qui va définir la puissance maximale transportable par le PPH. Celle transportée par l'eau sera toujours suffisante au regard flux de chaleur mis en œuvre dans une maison passive.
Les critères du label passif définissent une température estivale qui ne devrait pas fréquemment dépasser 25°C. Avec une VMC double flux performante, dont l'efficacité thermique de l'échangeur est d'environ 90%, l'air neuf peut être rafraîchi à seulement 2°C au-dessus de la température qui règne dans la maison, soit 27°C lorsque la température intérieure est de 25°C et quelle que soit la température extérieure. Le stockage et la diffusion de la chaleur hors du bâtiment peuvent être assurés par le sol à une température proche de 16°C ou une nappe phréatique à 12°C, parfois même moins. Un échangeur et une batterie hydraulique efficaces peuvent être conçus pour amener l'air neuf à une température proche de celle du système de stockage soit, dans le pire des cas, à 17°C. La différence de température entre l'air neuf avant et après passage dans la batterie hydraulique peut donc atteindre 10°C. Avec ces données et la formule concernant la chaleur transportable par l'air, un PPH peut transporter 3,3Whu/m3.
Partant du principe que dans une maison passive de débit de l'air normal est d'environ 1m3/h/m2SHab, la puissance du PPH peut atteindre 3,3W/m2SHab soit 330W pour une maison de 100m2.
Partant du principe que le choix de la VMC double flux est prévue pour pouvoir assurer une surventilation nocturne à l'abri des moustiques, le débit d'air doit pouvoir être poussé à 1 voire même 2 fois le volume habitable par heure. A un débit de 1V/h dans une construction de 100m2 avec 2,5m sous plafond, la puissance peut atteindre 825W et 1650W à 2V/h.
L'énergie de fonctionnement
Avec un débit d'air normal, la seule énergie nécessaire au fonctionnement d'un PPH est celle de son circulateur. En cas de surventilation, cette énergie ne changera pas beaucoup parce que la chaleur transportée par l'eau est très supérieure à celle transportée par l'air, mais les ventilateurs de la VMC augmenteront leur consommation.
Comme indiqué précédemment, la baisse de température de l'air neuf provoquée par le PPH peut être d'environ 10°C. Celle de l'eau peut être limitée à 2°C quand le sol est utilisé pour stocker la chaleur et atteindre 6°C quand il s'agit de la nappe phréatique. En prenant en compte la température du sol, un débit d'eau de 1,5l/h peut alors transporter autant d'énergie qu'un débit de 1m3/h d'air. Pour un logement de 100m2, un débit d'air de 100m3/h peut être rafraîchi avec un débit d'eau limité à moins de 150l/h. Avec un débit d'air de 1V/h, le débit d'eau nécessaire pour rafraîchir l'air à 17°C est inférieur à 400l/h. Avec de tels débits, la puissance absorbée par un circulateur de qualité, vérifiée sur les courbes de performances de certains appareils de marques connues, peut varier entre 8 et 18W.
Calcul du coefficient de performance équivalent d'un PPH
Le COP est le COefficient de Performance instantané d'un appareil thermodynamique. C'est le rapport entre l'énergie de chauffage qu'il produit et l'énergie électrique qu'il consomme. Un coefficient similaire existe en été pour les systèmes réversibles capables de produire du froid. L'EER (Energy Efficiency Ratio) est le rapport entre la chaleur qu'il est capable d'évacuer et l'énergie électrique qu'il consomme pour y arriver.
La puissance du PPH peut atteindre 330W pour une maison de 100m2SHab avec un débit d'air de 1m3/h/m2SHab et une baisse de température de l'air de 10°C. La puissance consommée par le circulateur pour atteindre ce résultat est de 8W avec un débit d'eau de 150l/heure et un différentiel de température de seulement 2°C. Comme indiqué dans l'article "Performances comparées entre VMC double flux et système thermodynamique", la puissance absorbée par les ventilateurs à courant continu des VMC performantes est souvent inférieure à 0,2W/m3 lorsque les débits sont ceux recommandés par le label passif. En considérant que l'énergie consommée par un des ventilateurs ne sert qu'au rafraîchissement, la puissance absorbée pour le flux d'air est de 20W. La totalité de la puissance absorbée par la VMC DF et le circulateur est donc de 28W pour une puissance fournie de 330W ce qui donne un EER supérieur à 10.
Lorsque les réseaux sont bien conçus, les débits peuvent être augmentés à 1V/h tout en conservant une consommation des ventilateurs inférieure à 0,3Wh/m3. Un calcul sur les mêmes bases avec un débit de 1V/h donne, pour une hauteur sous plafond de 2,5m, une puissance de rafraîchissement par l'air de 825W, des puissances absorbées de 18W par le circulateur et 30W par la VMC soit un total de 48W. Le coefficient de performance de 825/48 soit plus de 17!
Performances comparée
UN PPH présente l'avantage d'être quasiment deux fois plus efficace qu'un système thermodynamique. Même avec les débits de VMC les plus élevés, il présente toutefois l'inconvénient d'avoir une puissance qui peut facilement être trois fois plus faible que les systèmes thermodynamiques les moins puissants. Si la puissance d'un PPH paraît dérisoire dans une construction classique, ce n'est bien évidemment pas le cas dans une maison passive puisqu’elle peut dépasser la puissance maximale nécessaire pour chauffer en hiver alors que les écarts de température entre l'intérieur et l'extérieur sont bien plus faibles en été.
Les PPH sont les systèmes de rafraîchissement les plus performants pour les maisons passives.
Leur faible puissance est insuffisante dans les constructions classiques
Garantie de fonctionnement d'un PPH
Le coefficient de performance estival d'un PPH est élevé, mais sa puissance est faible. L'utilisation d'une nappe phréatique bien plus fraîche et à plus forte inertie que le sol permet d'améliorer fortement l'un et l'autre. Alors que le sol peut se réchauffer en période de canicule, l'utilisation de la fraîcheur d'une nappe phréatique permet de plus de garantir la performante parce que l'eau de stockage dans laquelle est plongé l'échangeur peut se renouveler seule quand il s'agit d'une source ou être volontairement remplacée par de l'eau plus fraiche quant il s'agit de la nappe phréatique.
Récupérer l'énergie devrait être obligatoire
L'inertie déportée permet de stocker sans limite la chaleur extraite des constructions. Dans une maison passive, elle peut éviter de recourir à la climatisation en ajoutant l'inertie qui peut manquer à l'intérieur sans risque de défaut de la surventilation nocturne. La seule condition pour en bénéficier est d'installer l'appareil qui convient. Encore faut-il que cet usage se développe malgré les freins développés par les lobbyistes de tout poil naturellement plus enclins à vendre de l'énergie pour faire fonctionner des climatiseurs dans leur propre intérêt financier qu'a la faire économiser sans risque de pollution dans l'intérêt de tous les autres.
En résumé :
- Le SCOP peut s'adapter à un PPH.
- Le SCOP d'un PPH de qualité peut être deux fois meilleur que celui d'un système thermodynamique.
Thème 16 - Les performances des équipements