Un échangeur air-sol (également connu sous les noms de puits provençal, puits canadien ou puits climatique) est un échangeur géothermique à très basse énergie utilisé pour rafraîchir ou réchauffer l'air ventilé dans un bâtiment.
Ce type d'échangeur est notamment utilisé dans l'habitat passif.
Principe langue=fr|vignette|redresse=1.5|Exemple d'utilisation d'un puits provençal (en bleu) dans une maison passive.
L'échangeur air-sol sert à alimenter un bâtiment en air en le faisant circuler auparavant dans un conduit enterré qui selon les conditions climatiques le refroidit ou le préchauffe en utilisant l'inertie thermique du sol. L'air sert de fluide caloporteur tandis que le tube sert d'échangeur thermique tout en canalisant l'air jusqu'au bâtiment.
Un échangeur ou puit climatique peut-être qualifié de puit provençal lorsqu'il fait office de refroidissement, ou à l'opposé de puit canadien lorsqu'il réchauffe l'air entrant, une même installation pouvant remplir les deux fonctions.
Ce système est basé sur le simple constat que la température sous terre : est différente de celle de l'air en surface ; sa variation peut se modéliser comme la somme de deux oscillations l'une annuelle (été/hiver) et l'autre journalière (jour/nuit) ; sa variation subit une plus faible amplitude par rapport à sa moyenne annuelle d'autant plus que la profondeur augmente ; sa variation journalière, à faible profondeur, est déphasée dans le temps par rapport à celle de l'air en surface du fait de l'inertie thermique de la terre.
Ces constats sont à mettre en parallèle avec les données suivantes : la profondeur du sol à partir de laquelle la température est considérée comme hors gel est d'environ en plaine sous les latitudes françaises métropolitaines. la température moyenne saisonnière du sous-sol à de profondeur se rapproche davantage de la température de confort (18 à 26 °C) l'été que l'hiver (en plaine sous les latitudes françaises métropolitaines). les variations des températures saisonnières été/hiver n'interviennent pratiquement plus à partir de de profondeur où la température reste quasi constante tout au long de l'année.
En pratique, le tube sera enterré au moins à de profondeur et dans ces conditions : le tube est à l'abri du gel ; la variation de température journalière à cette profondeur est déphasée par rapport à celle de la surface ; la température moyenne mensuelle à cette profondeur varie au cours des saisons.
Le procédé étant passif et basé sur la capacité thermique du sol, un échangeur air/sol peut être contre-productif pour préchauffer/rafraîchir à certaines parties de la journée et/ou de l'année par rapport à l'air extérieur. Pour éviter cela, une entrée d'air en prise directe et une vanne (manuelle ou électrique) est recommandée pour court-circuiter le puits.
Utilisant le principe d'inertie thermique, le système est d'autant plus efficace que les amplitudes thermiques extérieures journalières sont fortes ou qu'il fait face à des événements climatiques extrêmes de courte durée, comme le blizzard, à condition que l'entrée d'air soit protégée de la neige.
Éléments du puits Échangeur thermique : le tube Le tube constitue un échangeur thermique entre un flux d'air et le sol (ou tout autre matériau ayant une capacité thermique massique importante).
Le circuit d'air peut être fermé en formant une boucle partant sous terre pour revenir au bâtiment. Avantageux sur le plan thermique, il reste efficace même par temps humide. Toutefois, il ne contribue pas au renouvellement de l'air intérieur et nécessite alors un second circuit d'air pour l'habitation.
Le circuit d'air peut être ouvert en provenant de l'extérieur. L'été, l'air humide venant de l'extérieur, précédant un orage par exemple, en fonction du taux d'hygrométrie et de la température peut se condenser sur les parois du tube. Le changement d'état (liquéfaction) de la vapeur d'eau en gouttelettes s'opérant à température constante en restituant de l'énergieIl s'agit de la chaleur latente de condensation, voir l'article Enthalpie de changement d'état réduit les performances du puits limitant la baisse de température du flux d'air (par rapport à un flux sec). Lors de la construction une pente constante du tube sera nécessaire afin de l'évacuer et d'éviter d'avoir de l'eau stagnante. Il est à remarquer qu'un puits provençal est peu efficace pour les climats offrant des saisons chaudes et humides.
Le tube doit répondre à différentes contraintes en fonction de son environnement : Résister à la corrosion, le tube étant en contact en permanence avec de l'air et de l'eau. Résister à l'écrasement du fait de son enfouissement, de son immersion ou d'un éventuel passage d'un engin en surface. Résister à de légères déformations pour accompagner un mouvement de terrain sans rompre. N'être ni poreux, ni perméable afin d'éviter toute pollution provenant de l'intérieur ou de l'extérieur. Résister à un traitement chimique ou thermique pour remédier à une pollution accidentelle ou une éventuelle contamination du flux d'air par un agent présent dans le tube. Avoir une paroi interne lisse afin de faciliter l'évacuation des condensats.
Si le tube n'est pas d'un seul tenant, les jointures entre les différentes sections doivent également répondre à ces caractéristiques.
La conductivité thermique du matériau composant le tube affecte le rendement thermique du système de manière non significative (un gain de 8 % seulement entre le PE-HD et la fonte par exemple).
Les réseaux en fonte ductile ou en polyéthylène haute densité répondent très bien à ces critères pour cette application. Leur recyclabilité, résistance mécanique (résistance aux racines, rectitude dans la durée, résistance à l'ovalisation, etc.) et l'inertie thermique sont des propriétés très intéressantes. Il est possible d'implanter ces réseaux sous chaussée et même sous le bâtiment afin d'optimiser l'espace.
Les tubes en PVC Nf possèdent une couche extrudée à l'intérieur qui réduit les échanges thermiques. Le PVC est déconseillé pour ce type d'application car il comporte du chlore.
Circulation de l'air Le fonctionnement de l'échangeur air/sol repose sur la circulation d'air dans le tube, qui peut s'opérer :
passivement, par une surpression en entrée de tube en la positionnant par exemple du côté des vents dominants ou en créant une dépression en sortie de tube en utilisant une cheminée solaireUn conduit de cheminée solaire/provençale est en pierre, en saillie sur la façade sud et large. De ce fait, l'été même sans feu, la cheminée a un tirage naturel qui augmente avec l'ensoleillement. Plus l'air intérieur est chaud par rapport à l'air extérieur et plus il monte par convection. Un tirage (dépression) se crée à la base de la cheminée permettant d'aspirer l'air frais/tiède en provenance du puits. La maison doit alors être hermétiquement close.. Ces techniques ne consomment que l'énergie du vent et de l'ensoleillement. Le dimensionnement des prises d'air et du tube devra être adapté et la régulation de l'air se fera manuellement par obstruction (vanne, diaphragme, etc.). Ce procédé peut servir à maintenir hors-gel un bâtiment dépourvu d'alimentation électrique, par exemple. L’efficacité de ce procédé est très minime et il est difficile de gérer les apports qui dépendent des conditions atmosphériques ; mécaniquement, grâce à une ventilation motorisée adaptée. Toutefois, l'obligation légale d'installer une ventilation mécanique contrôlée (VMC) dans les maisons d'habitation, dans bon nombre de pays européensVoir les législations française, belge fait qu'une ventilation est soit rarement installée, puisqu'une VMC peut jouer ce rôle. Lors de son installation, la puissance de la VMC doit tenir compte des pertes de charge supplémentaires générées par le puits. Le schéma de circulation d'air dans une maison correspondant à une entrée d'air et une sortie d'air uniques est celui de la VMC double flux.
Le flux d'air a vocation à circuler dans le bâtiment : le bâtiment n'est constitué que d'une seule pièce, l'entrée du puits ira directement l'alimenter. S'il s'agit d'une habitation, une VMC simple flux suffit ; le bâtiment est composé de plusieurs pièces et/ou d'étages, le flux d'air entrant devra être acheminé et réparti dans les pièces. Le puits nécessitant de clore hermétiquement toutes les autres entrées d'air du bâtiment, une VMC double flux dans le cas d'une habitation sera utile pour garantir un renouvellement d'air constant et uniforme dans tout le bâtiment et notamment dans la cuisine - surtout si la plaque de cuisson fonctionne au gaz. Un tel système nécessite l'installation d'une bouche d'aspiration ou d'insufflation dans presque toutes les pièces. Dans ce cas, les caractéristiques de l'installation devront être alors étudiées pour ne pas propager les sons d'une pièce à l'autre ou le ronronnement de la ventilation.
Le flux d'air frais entrant faisant office de fluide caloporteur, les gaines distribuant l'air dans les pièces devraient être isolées afin que la chaleur/fraîcheur ne soit pas perdue dans les combles ou dans le sous-sol, par exemple, au cours de son cheminement.
Une VMC double flux présente un autre avantage que d'être l'extension d'un échangeur air/sol, au niveau des gains thermiques. Elle permet la mise en place d'un échangeur air/air qui utilise la chaleur/fraîcheur de l'air sortant pour chauffer/rafraîchir l'air entrant. Tout comme pour le puits, l'échange n'est pas toujours utile et une canalisation ainsi qu'une vanne de contournement (permettant de court-circuiter cet échangeur) sont plus que conseillées.
Si les législations en vigueur imposent généralement un taux de renouvellement d'air minimum dans les maisons, en revanche il n'est pas interdit d'en augmenter la fréquence notamment l'été. La ventilation mécanique choisie devra idéalement être réglable et suffisamment dimensionnée pour que sa consommation électrique n'augmente pas de façon disproportionnée.
Dans le cas d'une maison RT2012, l'expérience a montré qu'un débit de trois volumes par heure est nécessaire pour pouvoir rafraîchir le bâtiment. Une VMC double flux couplée au puits canadien ne permet pas d'obtenir ce résultat. Il convient de rajouter en parallèle un ventilateur capable d'extraire entre du puits canadien. Dans ce cas, le puits canadien devra être composé de deux ou trois conduits (DN200) sur une longueur de pour maintenir un débit de max et des pertes de charges faibles.
Protections contre les pollutions