13-7 - Un puits provençal classique n'est efficace qu'en maison passive (V2018)

Le puits provençal hydraulique

Le principe de la démonstration


Après avoir démontré qu'en période hivernale, sauf en maison passive, un puits canadien classique n'a pratiquement aucun intérêt quand il est couplé à une VMC double flux en comparaison avec une VMC double flux seule, la question de l'efficacité d'un puits provençal classique se pose très sérieusement pendant sa période estivale de fonctionnement et plus particulièrement en période de canicule.

La démonstration suit exactement le même déroulement que pour le puits canadien, mais prend bien évidemment en compte la dynamique de cette saison.

L'idée de base d'un puits provençal


Basée sur le même principe que le puits canadien, mais avec un objectif inverse, l'idée principale d'un puits provençal est de rafraîchir l'air neuf qui pénètre dans une construction en été en le faisant transiter dans le sol.

Il est à noter qu'il n'existe pratiquement aucune étude sur le comportement d'un tel équipement au cours des longues périodes de canicule pendant lesquelles il devrait être le plus utile. Toutefois, les études hors canicule sur le sujet montrent que, au plus chaud de l'été, la baisse de température provoquée par un puits provençal peut atteindre 12°C mais va rarement au-delà parce que les variations de température quotidiennes sont bien plus importantes qu'en hiver, que, de manière totalement contreproductive, le sol chauffe du fait de la saison et surtout parce qu'il est chauffé de manière importante par l'air chaud qui le traverse. Une baisse de température de 12°C permet toutefois de se rapprocher de la température du sol tant que la température extérieure ne dépasse pas 30°C et donc d'un fonctionnement optimum.

Faire pénétrer de l'air à 26°C dans une construction quand il fait 38°C à l'extérieur en période de canicule paraît toutefois très intéressant et semble pouvoir baisser considérablement les risques de surchauffe, notamment dans les constructions récentes mieux isolées, trop souvent à faible inertie thermique et qui doivent toujours rester ventilées.

Principe de mise en œuvre


Exactement comme un puits canadien, un puits provençal doit au moins comporter une bouche d'aspiration, une ou des canalisations de circulation de l'air dans le sol et enfin une bouche de soufflage pour l'amener dans la construction. Le raisonnement est donc similaire. Comme avec le puits canadien, seule la pièce dans laquelle est installé le ventilateur d'insufflation bénéficie de l'air légèrement rafraîchi. Pour éviter ce problème et améliorer le confort, un réseau est nécessaire afin de répartir l'air neuf plus frais dans toutes les pièces et supprimer les prises d'air généralement prévues sur les fenêtres. Plutôt que de créer un réseau spécifique au puits provençal, la meilleure solution est d'utiliser celui d'une VMC double flux afin de cumuler les performances du couplage des deux équipements si c'est utile. Cette solution est évidente lorsqu'une telle VMC est déjà installée pour améliorer le confort hivernal. L'air rafraîchi par le puits provençal grâce au sol peut ensuite traverser l'échangeur de la VMC,si l'air intérieur est plus frais, ou l'éviter et emprunter directement son réseau s'il est plus chaud. Il est ensuite soufflé par les bouches situées dans les pièces principales, pendant que l'air vicié est aspiré dans les pièces de service. En dehors des fuites, un tel système met fin à la pénétration d'air chaud dans la construction. Ce mode de mise en œuvre semble convenir particulièrement bien aux maisons passives qui sont, par définition, toujours dotées d'une VMC double flux.

Un puits provençal fonctionnel doit être doté d'un réseau aéraulique

Espoir et réalité


L'idée de base d'un puits provençal et la méthode qui semble la plus adaptée à sa mise en œuvre paraissent tout aussi judicieuses qu'avec le puits canadien. Afin de vérifier sa pertinence, la démonstration doit également être faite sans qu'il ne reste le moindre doute…

Nature incontestable de la démonstration


Pour prouver qu'un système fonctionne en toute circonstance, il suffit de démontrer qu'il fonctionne parfaitement dans la plus mauvaise situation possible. Inversement, pour prouver qu'il ne fonctionne jamais correctement ou du moins qu'il n'est pas suffisamment efficace, il suffit de montrer qu'il ne fonctionne pas correctement dans la meilleure situation possible. Pour choisir entre les deux, il suffit de quelques calculs thermiques et dans le cas d'un puits canadien, il n'y a pas d'autre choix que d'anticiper la réponse en se mettant dans le cas de cette deuxième situation.

Les paramètres du contrôle


Afin de satisfaire à une démonstration indiscutable, les paramètres retenus présentent un cas de canicule très favorable au bilan d'un puits provençal:
  • Température intérieure : limitée à 25°C qui est la température au-delà de laquelle on considère qu'une maison passive surchauffe.
  • Température extérieure : canicule à 40°C (Record à Toulouse 42°C)
  • Température du sol : 16°C en début de journée et plus en fin de journée
  • Efficacité de l'échangeur de la VMC DF : 85% avec ouverture automatique du bypass quand l'air neuf est plus frais que l'air intérieur
  • Efficacité du puits provençal : 90% sans prendre en compte de limite sur les performances dues à la surchauffe du sol en période de canicule

Le résultat avec le puits provençal


Dans ce premier cas, l'écart entre la température de l'air et celle du sol est de 24°C. Le puits provençal récupère 90% de cet écart soit 21,6°C. L'air neuf arrive donc à 18,4°C dans à l'entrée de la VMC, soit à une température inférieure à celle qui règne dans l'ambiance intérieure. L'échangeur de la VMC doit être contourné. La construction n'est pas surchauffée par le renouvellement d'air, mais n'est pas non forcément rafraichie parce que la puissance de rafraîchissement n'est pas forcément suffisante.

Le résultat sans puits provençal


Dans ce deuxième cas, l'air arrive à la température extérieure à l'entrée de la VMC, soit à 40°C et 15°C en dessus de la température intérieure. L'échangeur de la VMC, qui fonctionne tout aussi bien en été qu'en hiver, récupère 85% de cet écart soit 12,8°C. L'air arrive donc dans la maison à 27,2°C. Même si cette température n'est pas très élevée en regard de la température extérieure, l'arrivée d'air neuf contribue à chauffer la maison de manière totalement contradictoire avec le confort recherché. La VMC double flux ne peut en aucun cas être suffisamment efficace pour que ce ne soit plus le cas.

Bilan comparatif


Dans les conditions de calcul ci-dessus, au plus chaud de la journée en période de canicule, seulement quelques heures par jour et par an dans de nombreuses régions françaises, et encore, pas tous les ans, mais de plus en plus fréquemment, l'air neuf peut arriver dans une construction équipée d'un puits provençal à 9°C de moins qu'en étant seulement rafraichi par une VMC double flux! Contrairement à un puits canadien, le gain de performance d'un puits provençal ne semble pas négligeable. Il faut toutefois noter que sa performance baisse quand l'écart de température entre l'extérieur et le sol baisse, donc, en définitive, la plupart du temps! Il peut même devenir contreproductif en fin de journée quand le sol a été chauffé toute la journée et que sa température devient supérieure à la température extérieure. Dans ce cas, comme pour tout système basé sur l'inertie thermique, il ne faut pourtant pas le stopper, car il ne pourrait pas évacuer la nuit la chaleur stockée le jour et serait totalement inopérant le lendemain.

Il est à noter qu'un puits provençal hydraulique aurait un bilan similaire ou même plus mauvais du fait des pertes de performances résultant de la présence d'un échangeur supplémentaire.

Avec une baisse de température de 9°C en période de canicule et un débit d'air normal pour une VMC double flux de 1m3/m2Shab, la puissance maximale de rafraîchissement résultant de la présence du puits provençal est de seulement 3W/m2Shab pendant quelques heures. Cette performance est presque aussi mauvaise que celle obtenue avec un puits canadien. Toutefois, en été, il est possible de surventiler largement. En augmentant le débit de ventilation à 1V/h soit 2,5m3/m2Shab, la puissance de rafraîchissement pourrait atteindre 9W/m2Shab, si le sol n'était pas chauffé par l'air qui le traverse. En fin de journée, la puissance de rafraîchissement est divisée par 2 du fait de la baisse des températures intérieures et surtout extérieures ainsi que de la hausse de celle du sol. En prenant la moyenne et en augmentant le débit de 2 V/h, la puissance maximale de rafraîchissement pourrait atteindre 12W/m2Shab dans la journée. Elle serait très faible la la nuit, voire même parfois contreproductive, au regard de la chute nocturne des températures.

Pour que le rafraîchissement puisse avoir une incidence appréciable sur le confort, il est donc nécessaire de disposer d'un puits provençal vraiment très efficace et de ventiler la construction avec un débit de 1 à 2V/h soit de 250 à 500m3/h dans une construction de 100m2! Même en maison passive, il est très rare que les VMC généralement installées et surtout leurs réseaux permettent d'atteindre de tels débits. Pour une maison de 150m2, il devrait atteindre 750m3/h soit bien plus que ne le permettent la plupart des VMC. Il est donc quasiment impossible d'installer des puits provençaux vraiment efficaces dans la plupart des constructions.

Ce calcul thermique démontre que le gain de performance maximum d'un puits provençal est très faible dans les maisons RT2012. Comme les performances normales sont toujours inférieures, dans cette configuration, le rôle d'un puits provençal se résume a réduire le risque de surchauffe. Dans une maison passive, il est, par contre, particulièrement intéressant parce qu'il peut y compenser bien plus que la production de chaleur fatale produite par les occupants et leurs équipements et donc réellement rafraîchir la construction.

Puissance maximale d'un puits provençal


La puissance thermique P résultant du renouvellement d’air est proportionnelle :

  • au débit d’air : D exprimé en m3/h
  • à la masse volumique de l’air : ρ exprimée en kg/m3
  • à la chaleur spécifique de l’air : C exprimée en kWh/kg•K
  • à la différence de température entre l’air extérieur et la température de l'air neuf : ∆t exprimée en Kelvin (K)

P = D ρC ∆t
À pression normale ρ = 1,2 kg/m3 et C = 1 005 J/kg•K = 1 005 Ws/kg•K = 0,279 Wh/kg•K
(J : Joules et K : Kelvin, 0K = -273°C, 0°C = 273K)

Afin de simplification des calculs thermiques, c’est généralement la chaleur volumique correspondant au produit ρC qui est directement prise en compte.

ρCair = 0,33Whu/m3•K

Admettons les données extraordinaires suivantes :

  • Température quotidienne moyenne extérieure 30°C par temps de canicule extrême
  • Débit de ventilation : 1V/h avec une hauteur sous plafond de 2,5m, une VMC double flux et un réseau adapté
  • Efficacité du puits provençal 100%
  • Température du sol 16° en permanence même pas réchauffé par l'air qui le traverse
En remplaçant les termes de la formule P = D ρC ∆t  par leurs valeurs respectives ci-dessus, la puissance spécifique maximale de rafraîchissement d'un puits provençal devient Pmax = 2,5*0,33*14 = 11,55 W/m2SHab

En temps chaud mais plus normal, avec une température moyenne quotidienne de 24°C, la puissance spécifique maximale de rafraîchissement descend à Pmax = 2,5*0,33*8 = 6,6 W/m2SHab

Pour obtenir des puissances réellement efficaces, le débit de ventilation devrait être d'au moins 2V/h. Les VMC double flux devraient donc être capables de débiter 500m3/h pour une maison de 100m2 avec une hauteur sous plafond de 2,5m! Il est bien évident que généralement les températures et les débits de ventilation sont très inférieurs au données ci-dessus avec pour conséquence l'effondrement de la puissance des puits provençaux au point de rendre l'investissement dans un tel équipement totalement inutile sauf si la puissance nécessaire est très faible comme c'est le cas des maisons passives.

En conclusion


Un puits provençal classique rafraîchit une maison passive
mais ne peut que limiter le risque de surchauffe d'une construction classique

Les conditions climatiques et la nature du sol sont déterminantes. En période de canicule, un puits provençal classique peut être à peine plus efficace qu'une VMC double flux seule, parce qu'il peut arriver qu'au bout de quelques jours, le sol ne soit plus suffisamment frais pour qu'il assure correctement son rôle. Dans une telle situation, le couplage entre un puits provençal et une VMC double flux n'est pratiquement pas plus efficace qu'une VMC seule qui est insensible à ce type de risque.

Un puits provençal classique fonctionne d'autant mieux qu'il fait chaud pendant une courte période

Un puits provençal classique fonctionne d'autant moins bien qu'il fait chaud pendant une longue période
Il fonctionne donc moins bien quand on a le plus besoin lui!


Lire la suite…

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G.


Article précédent sur le sujet - Article suivant sur le sujet
 

Sur le même sujet
Thème 13 - Les puits climatiques